Cell type census for for neuronal structure and function generation
| Project Area | Census-based biomechanism of circuit construction and transition for adaptive brain functions |
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| Project/Area Number |
21H05240
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (III)
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
下郡 智美 国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, チームリーダー (30391981)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中嶋 藍 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 助教 (60706331)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥79,170,000 (Direct Cost: ¥60,900,000、Indirect Cost: ¥18,270,000)
Fiscal Year 2024: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000)
Fiscal Year 2023: ¥15,210,000 (Direct Cost: ¥11,700,000、Indirect Cost: ¥3,510,000)
Fiscal Year 2022: ¥16,250,000 (Direct Cost: ¥12,500,000、Indirect Cost: ¥3,750,000)
Fiscal Year 2021: ¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000)
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| Keywords | セルタイプ同定 / 神経発生 / 細胞多様性 / 樹状突起 / 発生 / カルシウムイメージング / トランスクリプトミクス / 細胞種 / 多様性 / 神経活動 / 軸索投射 / 臨界期 / 神経回路 |
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| Outline of Research at the Start |
神経細胞は多様性に富んでおり、この多様性が神経回路の接続様式および機能発現、外界からの影響に適応するために大きな影響を及ぼしていることは想像に難くない。しかし、神経個性の多様性を生む内在的メカニズムと外部入力が多様性の創出にどのような影響を及ぼすのかは明らかにされていない。本研究では、視床―大脳皮質回路（下郡)ならびに嗅覚回路(中嶋)をモデル系とし、scRNA-seqやTRAP-seqによる大規模解析に基づく細胞種の同定と細胞種ごとの回路の可視化・in vivoイメージング、さらに脳領域間・種間比較を行なうことで神経回路構築の基本メカニズムの解明に挑む。
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| Outline of Annual Research Achievements |
マウス大脳皮質体性感覚野細胞には細胞多様性（有棘星状細胞、spiny stellate細胞（SS細胞）と錐体細胞、pyramidal neuron（PN））があり、これらの多様性を決定するメカニズムと多様性が存在する生物学的な意義は明らかにされていなかった。これまでの研究で視床軸索が大脳皮質に侵入できないマウス（Cels3 x Dlx5/6 cre）では第一体性感覚野に本来あるべきSS細胞がなくPNしか存在しないことから、このミュータントを用いて10xVisium解析を行い、ミュータントで発現が変化している遺伝子を明らかにした。特にPNに時期特異的に発現する因子に着目し、これらの候補因子をSSに強制的に発現させて、PNに形態変化を起こす因子の同定を行った。このことから、PNとSSの特徴的な形態と多様性を決定する因子を同定した。さらに細胞形態の多様性の存在意義を明らかにするために、PNしか存在しない脳では神経回路の接続様式にどのような影響を与えるのか、順行性／逆行性を用いて詳細な神経回路を明らかにした。さらに、回路形成の変化によってもたらされる脳機能変化（イメージング）と行動変化を明らかにした。ここまでの結果を論文としてまとめ、投稿した。
さらに、第二のモデルとして嗅覚回路をモデルとして、scRNA-seqによる大規模解析に基づく細胞種の同定、TRAP-seqによる軸索特異的に産生される因子の同定、細胞種ごとのin vivoイメージングによる神経回路形成の可視化、さらに脳領域間・種間比較を行なうことで細胞多様性に基づく神経回路構築メカニズムの解明を目指す。2022年度は、嗅覚情報処理を行う梨状皮質の興奮性神経細胞特異的に遺伝子発現解析を行う目的で、2022年度は、梨状皮質を対象としてscRNA-seqを実施し、細胞のサブタイプを遺伝子プロファイルから再定義した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
視床軸索が大脳皮質に侵入できないマウス（Cels3 x Dlx5/6 cre）では第一体性感覚野に本来あるべきSS細胞がなくPNしか存在しないことから、このマウスの大脳皮質を用いて10x Visiumを行った。この結果から（Cels3 x Dlx5/6 cre）で発現が特異的に上昇／下降しているものを抽出し、体性感覚野細胞の多様性を決定する因子の絞り込みを行った。同定された因子の過剰発現マウスでは、全ての細胞がPNになり、細胞多様性を失った大脳皮質を作出することができた。このマウスの脳内でトレーサーを用いて神経回路形成の状態を明らかにしたところ、SS細胞にはない過剰な接続を行なっていることが明らかとなった。さらにin vivoイメージングによって脳機能を明らかにしたところ、通常のバレルカラムより広い領域で神経活動が上昇していることが明らかとなった。最後に行動実験により、ヒゲを用いて行われる、物質認識テストで詳細な物質の質感を認識できなくなっていることが明らかとなり、細胞多様性の存在意義を明らかにした。ここまでの結果をまとめた論文を執筆し、投稿を行った。
これまで、末梢嗅覚組織における情報処理メカニズムに関しては精力的に研究が進められてきたものの、梨状皮質をはじめとする嗅覚中枢領域についての具体的な機能については殆ど知られていない。梨状皮質に存在する興奮性神経細胞には、形態や発火特性が異なるサブタイプが存在することが明らかになっている。2022年度は、単一細胞の遺伝子発現プロファイルを一度に数千個調べることが可能な大規模単一細胞RNA-Seqを実施し、梨状皮質に存在する細胞のサブタイプを遺伝子発現の観点から分類を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度からは、大脳皮質体性感覚野細胞の多様性を決定する因子の発現をコントロールする上流因子の同定を行うために、視床VBおよびdLGN核のsnRNA-seqを行う。これらの核で発現する因子の違いを明らかにすることによって、視床からの入力依存的に大脳皮質細胞の多様性を生むメカニズムの全容の解明を進める。これまでに視床に発現する遺伝子のspatial transcriptomicsの研究が少ないため、さまざまなステージで行う必要がある。また、SS細胞を生み出す分子メカニズムは種を超えて、フェレットの視覚野でも保存されていることが明らかになったため（下郡未発表データ）、フェレット、マーモセット等の眼優位性カラムを持つ動物の視覚野でSSを生み出す分子メカニズムを明らかにする。
嗅覚情報処理を担う脳領域についての入力依存的な回路構築の分子メカニズムを解明するため、2023年度からは、梨状皮質scRNA-seqにより得られた細胞のサブタイプについて、発生・発達のどのタイミングで生み出されるかを検証するとともに、匂い入力依存的に集団が変化するかを検証することを通じて覚情報処理を担う脳領域について入力依存的な回路構築のメカニズムを解明することを目指す。
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Report
(2 results)
Research Products
(21 results)
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[Journal Article] Multi-modal brain magnetic resonance imaging database covering marmosets with a wide age range.2023
Author(s)
2.Hata J, Nakae K, Tsukada H, Woodward A, Haga Y, Iida M, Uematsu A, Seki F, Ichinohe N, Gong R, Kaneko T, Yoshimaru D, Watakabe A, Abe H, Tani T, Hamda HT, Gutierrez CE, Skibbe H, Maeda M, Papazian F, Hagiya K, Kishi N, Ishii S, Doya K, Shimogori T, Yamamori T, Tanaka K, Okano HJ, Okano H.
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Journal Title
Sci Data.
Volume: 10
Issue: 1
Pages: 221-221
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Role of an Atypical Cadherin Gene, Cdh23 in Prepulse Inhibition and Implication of CDH23 in Schizophrenia2021
Author(s)
Balan S, Ohnishi T, Watanabe A, Ohba H, Iwayama Y, Toyoshima M, Hara T, Hisano Y, Miyasaka Y, Toyota T, Shimamoto-Mitsuyama C, Maekawa M, Numata S, Ohmori T, Shimogori T, Kikkawa Y, Hayashi T, Yoshikawa T
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Journal Title
Schizophr Bull
Volume: -
Issue: 4
Pages: 1190-1200
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Cellular-resolution gene expression profiling in the neonatal marmoset brain reveals dynamic species- and region-specific differences2021
Author(s)
1.Kita Y, Nishibe H, Wang Y, Hashikawa T, Kikuchi SS, U M, Yoshida AC, Yoshida C, Kawase T, Ishii S, Skibbe H, Shimogori T.
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Journal Title
Proc Natl Acad Sci U S A.
Volume: 118
Issue: 18
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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