| 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, 副センター長 (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), 准教授 (60706331)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥79,170,000 (Direct Cost: ¥60,900,000、Indirect Cost: ¥18,270,000)
Fiscal Year 2025: ¥15,080,000 (Direct Cost: ¥11,600,000、Indirect Cost: ¥3,480,000)
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 | 臨界期 / 神経回路 / シングルセル / 細胞種 / シングルセル解析 / 大脳皮質 / 発生 / セルタイプ同定 / セルタイプ / scRNAseq / 神経発生 / 細胞多様性 / 樹状突起 / カルシウムイメージング / トランスクリプトミクス / 多様性 / 神経活動 / 軸索投射 |
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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 |
哺乳類の脳には、細胞の形態や神経活動のパターンから様々な細胞種が分類されているが細胞種の総数やそれらの機能的な違い、生まれるメカニズムについては多くが不明のままである。これらを解明するために、マウスの２つの脳領域をモデルとして用い、異なる細胞種の分類、機能の違い、生まれるメカニズムを明らかにする。マウス体性感覚野４層（バレル皮質）における有棘星状細胞と錐体細胞の遺伝子発現パターンを空間トランスクリプトミクスで解明した。視床軸索が侵入できないマウスでは有棘星状細胞が消失し、錐体細胞のみ存在する。このミュータントで発現が変化する遺伝子を同定し、細胞分化に関わる因子と仮定した。候補因子を有棘星状細胞に強制発現させると、錐体細胞に形態変化を引き起こす因子のスクリーニングに成功した。次に有棘星状細胞に分化するためのメカニズムを明らかにするために、Smad7の発現抑制を行なったが有棘星状細胞に分化させることができなかった。そこでさらに神経活動の操作をすることによって初めて有棘星状細胞への分化に成功した。これは遺伝子発現と神経活動の組み合わせによって細胞分化がコントロールされていることを初めて明らかにした結果である。
次のモデルとして、嗅覚回路に存在する様々な神経細胞について、scRNA-seqによる大規模解析を行い、細胞種の同定、細胞種特異的な層形成・回路形成を決定する因子の同定、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を行った。また、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した。2024年度には、梨状皮質を対象としたscRNA-seqにより明らかになった細胞のサブタイプについて組織学的手法により細胞層特異性を検証し、細胞種特異的な層形成に関与する分子を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
我々はこれまで、マウス大脳皮質バレル野において有棘星状細胞にSMAD7を過剰発現させると、錐体細胞が様へ分化することを示した。さらに細胞系譜の多様性が回路形成に不可欠であることを報告した（Young et al., Nat Commun 2023）。そこで、逆に錐体細胞からSMAD7を欠失させれば有棘星状細胞を誘導できるか検証したが、SMAD7ノックアウト（KO）単独では形態・遺伝子ともに有棘星状細胞への変化を起こさなかった。これまでの我々の研究から発達期には有棘星状細胞の自発発火頻度が錐体細胞より高いことが明らかになっていることから、「SMAD7欠如に加え神経活動の上昇が有棘星状細胞分化を駆動する」という仮説を構築した。hM3Dq-DREADDを用いてSMAD7KOマウスのSepta領域錐体細胞の活動を化学遺伝学的に増強したところ、本来錐体細胞系譜である細胞の多くの形態が有棘星状細胞に一致する形態へと転換した。加えて遺伝子発現解析では、有棘星状細胞マーカーである Btbd3やAstn2 などhollow領域特異遺伝子の発現が顕著に誘導され、形態と分子の両面で有棘星状細胞化が確認できた。
本成果により、有棘星状細胞特異的形態獲得には①SMAD7の機能抑制と②発達期に特徴的な高活動状態という二つの条件が協調的に必要であることが明らかとなった。これは、皮質ニューロンのサブタイプ多様化が単一の転写因子だけでなく活動依存的シグナルと連動して決定されるという新しい概念を提示する。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究によって、バレル皮質で細胞種を決定する多くの因子とメカニズムを見つけてきた。これらの因子の中でも特に樹状突起の形態を変化させる因子を用いて、樹状突起が少ない、多い、方向性の異なるタイプの細胞種を作り出し、神経回路形成と機能に及ぼす影響を解析する。樹状突起の形態によって分けることができる細胞種の存在意義とその機能を明らかにする。バレル皮質内に存在する有棘星状細胞は樹上突起を視床軸索の方向に向けるもの、樹状突起の方向性がないものなどいくつかの形態を持つことが知られている。そこでこれらの異なる形態がどのように生まれるのか、また正しい本数の樹上突起をどのようにコントロールしているのか、樹状突起の形態と本数がどのように脳機能に影響を与えるのかを明らかにする。樹状突起の本数をコントロールする因子（Ntng2）、方向性を決める因子(Btbd3)、神経活動によって本数と方向性を決める因子（NR1）を用いて、これらの過剰発現、ノックアウトマウスを用いて、樹状突起の形態と脳機能の関連を明らかにする。
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