【研究領域課題番号】19K07793 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

視覚野 / デコーディング / 集団活動 / イメージング / マウス / 視覚 / 大脳皮質 / 高次視覚野 / 2光子カルシウムイメージング / ポピュレーションコーディング

【研究成果の概要】

脳において情報は多数の神経細胞の集団活動に表現されると考えられているが、その詳細は不明な点が多い。本研究ではマウス大脳皮質視覚野での細胞集団による情報表現を調べた。ある画像をマウスに見せたときには、少数の神経細胞のみが活動するが、画像情報は活動する少数の細胞に安定して表現されていた。また、一次視覚野と二次視覚野の間で、細胞集団の活動には異なる画像特徴が表現されていることが示唆された。さらに、マウスが図形を区別する際の行動戦略や関連した神経活動を明らかにした。

【研究の社会的意義】

これまでの研究から、大脳皮質視覚野では、同時に少数の細胞のみが活動するスパースコーディング知られていた。理論研究から、これは効率的な情報表現であると考えられてきたが、実際の脳内でどのような視覚情報を表現しているのかはわかっていなかった。本研究の成果は、脳内での情報表現を明らかにし、従来の説を実証するものである。特に、不安定な神経活動に、安定して情報を表現しているという脳内での情報表現様式を明らかにした。本研究で得られた知見は、脳の情報処理機序への理解を深めるのみならず、将来的に新規の画像処理アルゴリズムや人工知能の開発などへの貢献が期待される。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】脳計測科学

【研究領域課題番号】17K13276 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

デコーディング / 大脳皮質 / 視覚野 / マウス / 2光子イメージング / 画像再構成 / 集団活動 / ポピュレーションコーディング / 大脳皮質視覚野 / 画像復元 / 学習 / イメージング

【研究成果の概要】

本研究ではマウスの大脳皮質一次視覚野における視覚情報表現及び学習による情報表現の変化の解明を目的とした。自然画像に含まれる情報は少数の細胞の活動から取り出すことができることを明らかにした。また、同じ画像を繰り返し提示した時に、神経活動はある程度のばらつきを示したのに対して、そこから得られる画像パターンは比較的ばらつきが少なく、再現性良く表現されていた。これらの結果から、マウスの一次視覚野では不安定な神経活動にも関わらず、少数の細胞で安定して情報を表現していることを明らかにした。また、マウスが視覚弁別課題を行う際の神経活動の変化の解明も目指した。

【研究の社会的意義】

大脳皮質での情報表現の特徴の一つとして、少数の細胞により情報が表現されるスパースコーディングという考えが提唱されている。理論的な観点からスパースコーディングの利点が提唱されているが、実際の脳内の神経活動はばらつきが大きく、少数の細胞にどのような情報がどの程度安定して表現されているかを実験的に調べた研究はほとんどなかった。本研究の意義としては、生体脳において自然画像のパターンが少数の神経細胞に表現されていること、また、神経活動は比較的不安定であるにもかかわらず、情報が安定して表現されていることを明らかにした点にある。この成果は新規の画像処理や情報処理技術の開発への応用の可能性が期待される。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】25650047 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 高輝度 / マウス / 非侵襲 / in vivo / イメージング / 1粒子

【研究成果の概要】

非侵襲で1粒子レベルで小胞輸送を観察するため明るい量子ドットを作成を行った．量子ドットを40 nMで液体窒素によって急速に冷却することで、数１０個～数１００個程度の量子ドットによる凝集体を形成した。
マウス腫瘍に対して，量子ドットの蛍光が観察できるかを確認した．がん細胞に過剰に発現しているEGFRに対する抗体を量子トッドに結合して，マウスの尾静脈から注入した．約1時間後に腫瘍部位を非侵襲で，共焦点観察を行った．その結果ブリンキングするような単一量子ドットを観察することができないが，多粒子であれば，観察が可能であることが明らかとなった．ナノ粒子の蛍光を元に細胞の輪郭を同定できた．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2013-04-01 - 2015-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】22510124 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マイクロバイオシステム / 脳計測 / in vivo計測 / バイオデバイス / イメージング / マウス / 2光子顕微鏡 / マイクロバルブ

【研究成果の概要】

2光子励起顕微鏡法(2PLMS)は脳機能を細胞レベルで研究するための強力な手法であるが、生きたままの動物の脳を長期計測するためのツール・手法の欠落が課題であった。そこで、本研究では、生きたマウスの脳の長期・精密計測を可能にする動物個体埋め込み型インターフェイスデバイスを開発した。この成果は、2PLMSを軸とするinvivo脳研究の技術的制限を克服する新たなツール・手法を提供し、脳神経細胞の機能のより深い理解に貢献すると期待される。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】神経科学一般

【研究領域課題番号】21700374 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マイネルト基底核 / アセチルコリン / 大脳皮質 / 長期増強 / グリア細胞 / イメージング / in vivo / 2光子顕微鏡 / 皮質可塑性 / カルシウム / イン・ビボ / カルシウム計測 / マウス / シナプス可塑性

【研究成果の概要】

麻酔下マウスのマイネルト基底核(NBM)とヒゲ刺激とを同時に行って大脳皮質において長期増強(LTP)を誘導し、その間の大脳皮質細胞群カルシウム(Ca^<2+>)活動を二次元可視化解析した。この結果LTP誘導最中にグリア細胞がCa^<2+>活動していることを発見した。さらに、このCa^<2+>活動を抑制したところ、NBM刺激に対する神経細胞応答は正常にも関わらず、LTPが消失することを発見した。これらの結果は、LTP誘導にグリア細胞活動が必須であることを生きたままの動物で初めて示した点で重要である。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2009 - 2010

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】医化学一般

【研究領域課題番号】19109003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

発生 / 細胞社会 / カスパーゼ / 分化 / ショウジョウバエ / マウス / イメージンク / 神経発生 / 非対称分裂 / イメージング

【研究成果の概要】

発生は試行錯誤の繰り返しで進んで行くと考えられ、試行錯誤の過程では、不適切なシグナル受容によって絶えずストレスにさらされていると考えられる。本研究では、個体レベルでのストレスシグナル可視化技術の問題点を解決することで、個体発生における細胞死シグナルの揺らぎを生体内で可視化した。その結果、細胞社会からなる組織・器官形成における細胞死シグナルのダイナミクスおよびその生理的意義が明らかになった。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2007 - 2011

【配分額】109,720千円 (直接経費: 84,400千円、間接経費: 25,320千円)

【研究分野】神経化学・神経薬理学

【研究領域課題番号】15100007 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

カスパーゼ / ショウジョバエ / 遺伝学 / 神経発生 / IAPファミリー / イメージング / キナーゼ / プロテアソーム / 神経細胞死 / ショウジョウバエ / 神経変性 / タンパク質分解 / アポトーシス / JNK / 蛋白質分解 / 神経細胞 / 細胞死 / 発生 / マウス / 細胞選択

【研究成果の概要】

ショウジョウバエ遺伝子の過剰発現スクリーニング(GSスクリーニング)を取り入れることで、神経細胞死シグナルの機能的的ゲノムスクリーニングを行った。ポリグルタミンによる神経細変性に関与する遺伝子として小胞体に存在する不良品蛋白質の輸送チャネル(Sec61α)を同定した。Sec61αは、分泌経路で合成される蛋白質の小胞体への移行と、小胞体関連タンパク質分解Endoplasmic Reticulum Associated Degradation : ERADにおいて小胞体から細胞質への不良品タンパク質の輸送を担う重要なチャネルである。Sec61αをショウジョウバエ複眼や培養細胞で過剰発現すると不良品タンパク質が細胞質に逆輸送されて蓄積し細胞死が誘導されること、逆にSec61αの活性を遺伝学的に弱めることによりポリグルタミン病モデルにおいて細胞質に蓄積していた不良品タンパク質が減少し、晩発性の神経変性が回復することが明らかになった。さらに、GSスクリーニングによって、神経細胞死シグナルを発する候補遺伝子としてDmIKKεが得られた。遺伝子の機能欠損スクリーニングによってもDmIKKεが得られ、細胞死を誘導しないレベルのカスパーゼ活性を調節することを見いだした。細胞死シグナルに関与する遺伝子のスクリーニングからDmIKKεが得られたことをふまえてその基質を探索した結果、種を超えて保存されたカスパーゼ抑制因子DIAP1が同定された。DmIKKεはDIAP1をリン酸化することによってその分解を促進する。DmIKKεを生体でノックダウンすると内在性のDIAP1レベルが組織で上昇した。しかし、この状態でも発生過程での細胞死は正常におこり、ここでのDmIKKεによるDIAP1レベルの調節は細胞死以外の生理機能に関与することが示唆された。本研究が明らかにした段階的なカスパーゼ活性化による神経選択の新たな仕組みは、発生と神経変性での細胞運命決定機構に新たな視点をもたらしたものである。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2003 - 2006

【配分額】119,080千円 (直接経費: 91,600千円、間接経費: 27,480千円)