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Mechanism for building diversity of neural projections responsible for behavioral selection

Planned Research

Project AreaCensus-based biomechanism of circuit construction and transition for adaptive brain functions
Project/Area Number 21H05241
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (III)
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

藤山 文乃  北海道大学, 医学研究院, 教授 (20244022)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 大野 伸彦  自治医科大学, 医学部, 教授 (10432155)
Project Period (FY) 2021-09-10 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥79,430,000 (Direct Cost: ¥61,100,000、Indirect Cost: ¥18,330,000)
Fiscal Year 2025: ¥14,690,000 (Direct Cost: ¥11,300,000、Indirect Cost: ¥3,390,000)
Fiscal Year 2024: ¥14,430,000 (Direct Cost: ¥11,100,000、Indirect Cost: ¥3,330,000)
Fiscal Year 2023: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000)
Fiscal Year 2022: ¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000)
Fiscal Year 2021: ¥20,410,000 (Direct Cost: ¥15,700,000、Indirect Cost: ¥4,710,000)
Keywords大脳基底核 / ドーパミン / 神経回路 / 神経解剖 / 基底核 / 神経投射 / 形態学
Outline of Research at the Start

本研究では、齧歯類を用いて行動選択の際の大脳基底核の神経細胞の活動様式にその発現遺伝子プロファイルと神経投射・シナプス接続情報を統合し、行動選択を担う神経回路多様性の構築メカニズムの解明を目指す。まず、B01班との連携により、行動選択時に特徴的な反応を呈した神経細胞集団を抽出し、同時にB01班との連携で作成するバーコード遺伝子、光顕・電顕用標識を神経細胞に注入する。バーコードの有無と種類を、C01班との連携によりシークエンサーで解析し、活動様式特異的な発現遺伝子プロファイルと、神経投射様式を明らかにする。さらに、この神経投射終末のシナプス結合様式を、3D-EMを用いて三次元的に解析する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究計画では、適応行動の選択の際に特異的な活動を示す神経細胞に、B01班が作成するウイルスベクタを感染させ、この感染細胞の遺伝子プロファイルを明らかにするとともに、この神経細胞の軸索が投射するポストシナプス側の神経細胞の詳細な遺伝子プロファイルを明らかにする。申請者らの先行研究によると、一つのドーパミン神経細胞が投射する線条体神経細胞は計算上75,000個と類推される。この大量な遺伝子情報を解析するためには、C01班のハイスループット遺伝子解析技術と連携する。この技術に、A01藤山班の投射軸索完全可視化、三次元電子顕微鏡解析を含む超解像度形態解析技術を有機的に連携させることで(神経回路seq)、「行動選択に伴い、構造的・遺伝的に規定された神経回路がドーパミンの影響によってどのように遷移していくのか」という学術的問いに迫る。これまでの研究では、経シナプス性に運ばれるウイルスベクタを用いて、世界で初めてドーパミン神経細胞の経シナプス標識が可能であることを確認した。具体的には中脳の黒質緻密部にAAV1-hSyn1-EBFP-Creを注入し、線条体のどのニューロンにCreが運ばれたのかを検証した。AAV1ウイルスは当然順行性のみならず逆行性に運ばれうるため、線条体の投射ニューロンが標識された場合は、順行性に標識されたものか逆行性に標識されたものかの区別がつかない。しかし今回線条体のインターニューロンが標識されており、ドーパミン神経細胞の経シナプス標識が成功したことを確認できた。これまで世界的にもドーパミン神経細胞の経シナプス標識の報告はなく、この所見の更なる検証を重ねる予定である。また、分担研究者の大野はdAPEX2-AAVを用いた軸索標識に成功しており、今後はこの両者の手法を組み合わせ、ドーパミン神経軸索投射の微細構造を確認していく予定である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまで世界的にも成功例の報告がないドーパミン神経細胞の経シナプス標識を確認できたことで、研究分担者の大野との共同研究の道筋が見えてきた。もしこの経シナプス標識ができなかった場合は、さらに複雑な標識実験が必要となったはずだが、この成功のおかげで順調な進捗となっている。さらに分担研究者の大野のグループが、dAPEX2-AAVを用いて、特定の軸索や樹状突起を標識して、その微細構造を電子顕微鏡を用いて観察する方法を確立し、複数の業績をあげてきている。今後は代表者のグループが可視化したプレおよびポストのニューロンの相互関係を、大野らのグループの3次元電顕解析につなげる予定である。

Strategy for Future Research Activity

研究代表者等は、AAV1(順行性経シナプス性ウイルスベクタ)を用いて、世界で初めてドーパミン神経細胞の経シナプス標識が可能であることを確認した。しかし、ドーパミン神経細胞にはその遺伝学的背景により複数のサブポピュレーションが存在する。現在は、昨年の報告より一歩進んで、そのサブポピュレーションごとの投射様式と投射先をウイルスベクタを細かく打ち分けることによって解析中である。
一方、分担者の大野のグループはdAPEX2-AAVを用いて、特定の軸索や樹状突起を標識して、その微細構造を電子顕微鏡を用いて観察する方法を確立した。現在、この両者を融合し、ドーパミンニューロンと接続するニューロンの標識と3次元電顕解析を行うことに挑戦しつつある。具体的にはドーパミン細胞を小胞体局在型dAPEX2で標識し、投射先ニューロンをCre組換えで標識を発現するミトコンドリア局在型のdAPEX2で標識することである。この実験の中で、神経細胞の細胞体や樹状突起のみならず、軸索遠位部まで標識するための条件検討を行う予定である。さらに、投射元、投射先の神経細胞の遺伝子情報と投射様式の関係を調べるために領域内の共同研究により、single cell RNA sequencing法を組み合わせる。現在手動で切り出し、投射元および投射を受けた細胞のサンプリングを行い、RNA抽出を行う。既にドーパミン神経細胞を健康な状態で切り出し、質の良いRNAを抽出することに成功している。遺伝学的解析に関してはC01班との連携で、神経細胞の遺伝子発現プロファイルを取得し、ついでt-SNE解析によって、遺伝子発現プロファイルに基づいて各神経細胞をクラスタリング(分類)する予定である。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (58 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (12 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 12 results,  Open Access: 12 results) Presentation (42 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 15 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] UCLA/NIH(米国)

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    • Journal Title

      ACTA HISTOCHEMICA ET CYTOCHEMICA

      Volume: 57 Issue: 1 Pages: 1-5

    • DOI

      10.1267/ahc.24-00005

    • ISSN
      0044-5991, 1347-5800
    • Year and Date
      2024-02-29
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    • Journal Title

      Frontiers in Neuroanatomy

      Volume: 18 Pages: 1325368-1325368

    • DOI

      10.3389/fnana.2024.1325368

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      Volume: 26 Issue: 12 Pages: 108536-108536

    • DOI

      10.1016/j.isci.2023.108536

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    • Journal Title

      American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology

      Volume: 324 Issue: 3 Pages: H341-H354

    • DOI

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      bioRxiv

      Volume: -

    • DOI

      10.1101/2023.10.03.560586

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      Volume: 12 Pages: 1-31

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      Osanai Yasuyuki、Battulga Batpurev、Yamazaki Reiji、Kouki Tom、Yatabe Megumi、Mizukami Hiroaki、Kobayashi Kenta、Shinohara Yoshiaki、Yoshimura Yumiko、Ohno Nobuhiko
    • Journal Title

      Neurochemical Research

      Volume: 47 Issue: 9 Pages: 2815-2825

    • DOI

      10.1007/s11064-022-03689-8

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      Osanai Yasuyuki、Yamazaki Reiji、Shinohara Yoshiaki、Ohno Nobuhiko
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      Frontiers in Cell and Developmental Biology

      Volume: 10 Pages: 1-13

    • DOI

      10.3389/fcell.2022.1030486

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    • Journal Title

      Frontiers in Neuroanatomy

      Volume: 16 Pages: 1-22

    • DOI

      10.3389/fnana.2022.809446

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      Volume: 62 Issue: 10 Pages: 1589-1595

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-M2021086

    • NAID

      130008091636

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • Year and Date
      2021-10-01
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      Volume: 183 Pages: 107484-107484

    • DOI

      10.1016/j.nlm.2021.107484

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    • Journal Title

      STAR Protocols

      Volume: 2 Issue: 1 Pages: 100230-100230

    • DOI

      10.1016/j.xpro.2020.100230

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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 電子顕微鏡のルネッサンス:細胞検査士、細胞診指導医が知っておくべき電顕の現況2022

    • Author(s)
      大野伸彦
    • Organizer
      第61回日本臨床細胞学会秋期大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 視覚遮断による髄鞘構造の変化と行動異常の解析2022

    • Author(s)
      長内康幸、Battulga Batpurev、高瀬堅吉、山崎礼二、幸喜富、矢田部恵、水上浩明、小林憲太、清水健史、池中一裕、吉村由美子、大野伸彦
    • Organizer
      第128回日本解剖学会総会・全国学術集会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ドーパミン受容体D1とD2の発現が偏る尾側線条体の腹側領域は、黒質外側部に投射する2022

    • Author(s)
      苅部 冬紀、緒方 久実子、角野 風子、 平井 康治、高田 昌彦、井上 謙一、藤山 文乃
    • Organizer
      第45回日本神経科学大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 淡蒼球外節尾側領域での聴覚応答に関わる脳領域の探索2022

    • Author(s)
      平井康治、藤山文乃
    • Organizer
      第45回日本神経科学大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Using a novel PV-Cre rat model to characterize pallidonigral cells and their terminations2022

    • Author(s)
      藤山文乃
    • Organizer
      DOPAMINE2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 大脳基底核の形態学的解析2022

    • Author(s)
      藤山文乃
    • Organizer
      日本解剖学会 第68回東北・北海道連合支部学術集会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] マウス尾側線条体におけるドーパミン受容体不等発現領域とその投射様式2022

    • Author(s)
      苅部冬紀、緒方久実子、角野風子、平井康治、藤山文乃
    • Organizer
      日本解剖学会 第68回東北・北海道連合支部学術集会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 大脳基底核の形態学的解析からわかったこと2022

    • Author(s)
      藤山文乃
    • Organizer
      第102回北海道医学大会生理系分科会・第102回日本生理学会北海道地方会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 淡蒼球外節の聴覚刺激応答部に入力する脳領域の解析2022

    • Author(s)
      平井康治、藤山文乃
    • Organizer
      第99回日本生理学会大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 大脳基底核の形態学的解析から見えてきたこと2022

    • Author(s)
      藤山文乃
    • Organizer
      第126回日本解剖学会・第98回日本生理学会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] マウス尾側線条体ドーパミン受容体偏在領域の投射様式2022

    • Author(s)
      苅部 冬紀、緒方 久実子、角野 風子、 平井 康治、井上 謙一、高田 昌彦、藤山 文乃
    • Organizer
      第127回日本解剖学会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 大脳皮質-黒質神経回路のトレーシングおよび免 疫組織化学的解析2021

    • Author(s)
      宮﨑 晴子、立川 哲也、平井 康治、苅部 冬紀、宮坂 知宏、藤山 文乃、山川 和弘、貫名 信行
    • Organizer
      日本神経科学学会2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 淡蒼球外節から線条体への神経支配は線条体のコンパートメントと神経細胞タイプに選択的である2021

    • Author(s)
      苅部 冬紀、藤山 文乃
    • Organizer
      日本神経科学学会2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 淡蒼球外節から線条体への抑制性投射は線条体マトリックス領域に強い選択性を示す2021

    • Author(s)
      苅部 冬紀、藤山 文乃
    • Organizer
      日本解剖学会  第67回 東北・北海道連合支部学術集会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] 北海道大学 大学院医学研究院 解剖学分野 組織細胞学教室

    • URL

      https://anatomy3.hokkaido.university

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Remarks] 藤山研ホームページ

    • URL

      https://anatomy3.hokkaido.university

    • Related Report
      2022 Annual Research Report 2021 Annual Research Report

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Published: 2021-10-22   Modified: 2025-04-17  

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