Generation of transgenic mice lines for wide-view mapping of functional connectomics

• Project/Area Number: 17K19438
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Neuroscience and related fields
• Research Institution: Gunma University
• Principal Investigator: Hayashi-Takagi Akiko 群馬大学, 生体調節研究所, 教授 (60415271)
• Research Collaborator: OBI Kisho 群馬大学, 生体調節研究所・脳病態制御分野
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2018: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2017: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: AS-PaRac1 / 大規模機能的コネクトミクス / セル・アンサンブル / シナプス・アンサンブル / シナプス / 機能的コネクトミクス / シナプス光遺伝学 / スパイン / コネクトミクス / 2光子励起

Outline of Final Research Achievements

Visualization and manipulation of possible synaptic pathology could provide mechanistic insight of psychiatric disorders. For this purpose, we aimed at establishment of a novel imaging technique named “functional connectomics”, in which we could visualize simultaneous presynaptic and postsynaptic activations. The probes for presynapse, postsynapse (AS-PaRac1), and postsynaptic neurons are expressed in an activity-dependent manner. We established the transgenic mice strains bearing the above-mentioned constructs. The uniqueness of this method with use of these transgenic mice is that it allows us to detect not only synaptic plasticity (micro imaging) but also the plastic reorganization of neuronal circuits in different brain areas (macro imaging). This multi-scale imaging could help elucidate the dynamic nature of synaptic potentiation in a specific neuronal circuit in the vast network of neuronal circuits in the brain.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

従来型の「形態的」コネクトミクスを用いて、神経回路地図の構築が目指されていますが、如何に詳細な地図を作ろうと、どの神経回路が実際に使用され、強化もしくは減弱されたかを示すことは出来ません。そこでシナプスの可塑性の情報を含めた「機能的」コネクトミクスを描出する技術が必要です。本研究課題で私たちが確立した「機能的」コネクトミクス」は、シナプス増強プローブ（赤色）と共に、そのシナプス前部（青色）とシナプス後部神経細胞（緑色）を神経活動依存性に3色に標識するものであり、高次機能を担う神経回路の全容を、新たな角度より解明できると考えます。

Research Products

• [Journal Article] Synaptic functions and their disruption in schizophrenia: From clinical evidence to synaptic optogenetics in an animal model (2019)
  • Author(s): Kisho Obi-Nagata, Yusuke Tenma, Akiko Hayashi-Takagi
  • Journal Title: Proceedings of the Japan Academy, Ser. B Volume: 未定
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 増大特集 記憶と忘却に関わる脳のしくみ-分子機構から健忘の症候まで 学習･記憶の細胞基盤-シナプス･アンサンブルを可視化･操作する技術の創出 (2018)
  • Author(s): 佐藤 壮泰、宮本 成美、千葉 久実、小尾 紀翔、林(高木) 朗子
  • Journal Title: BRAIN and NERVE Volume: 70 Issue: 7 Pages: 713-721
  • DOI: 10.11477/mf.1416201072
  • ISSN: 1344-8129, 1881-6096
  • Year and Date: 2018-07-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chemical Landscape for Tissue Clearing Based on Hydrophilic Reagents. (2018)
  • Author(s): Tainaka K, Murakami TC, Susaki EA, Shimizu C, Saito R, Takahashi K, Hayashi-Takagi A, Sekiya H, Arima Y, Nojima S, Ikemura M, Ushiku T, Shimizu Y, Murakami M, Tanaka KF, Iino M, Kasai H, Sasaoka T, Kobayashi K, Miyazono K, Morii E, Isa T, Fukayama M, Kakita A, Ueda HR.
  • Journal Title: Cell Rep. Volume: 24 Issue: 8 Pages: 2196-2210
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2018.07.056
  • NAID: 120006542018
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Calcineurin knockout mice show a selective loss of small spines (2018)
  • Author(s): Okazaki H, Hayashi-Takagi A, Nagaoka A, Negishi M, Ucar H, Yagishita S, Ishii K, Toyoizumi T, Kasai H
  • Journal Title: Neuroscience Letters Volume: 671 Pages: 99-102
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2018.02.006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Increased EphA4-ephexin1 signaling in the medial prefrontal cortex plays a role in depression-like phenotype. (2017)
  • Author(s): Zhang JC, Yao W, Qu Y, Nakamura M, Dong C, Yang C, Ren Q, Ma M, Han M, Shirayama Y, Hayashi-Takagi A, Hashimoto K
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 7 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41598-017-07325-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 光によるマウスを用いた精神神経疾患の病態解析 (2017)
  • Author(s): 小尾紀翔、林（高木）朗子
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 68 Pages: 486-487
• [Journal Article] 学習・記憶の細胞基盤：シナプス・アンサンブル (2017)
  • Author(s): 小尾紀翔、白井福寿、林（高木）朗子
  • Journal Title: 生化学 Volume: 89 Pages: 546-550
  • NAID: 40021312490
• [Presentation] Systemic response as a causal/exacerbating factor for psychiatric disorders (2018)
  • Author(s): Hayashi-Takagi A
  • Organizer: 日本生理学会（日本、高松）
  • Invited
• [Presentation] Development of innovative wide-view mapping of synaptic ensemble in the psychiatric model (2018)
  • Author(s): Hayashi-Takagi A
  • Organizer: 日本生理学会（日本、高松）
  • Invited
• [Presentation] 精神疾患の神経回路異常の解明にむけた革新的な機能的コネクトミクス法の開発 (2018)
  • Author(s): 林（高木）朗子
  • Organizer: 第1回三融会・武田神経科学シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 精神疾患の神経回路異常の解明にむけた機能的コネクトミクス法の開発 (2018)
  • Author(s): 林（高木）朗子
  • Organizer: 九州大学・大学院セミナー
  • Invited
• [Presentation] （女性）研究者として～大脳シナプスバイオロジー (2018)
  • Author(s): 林（高木）朗子
  • Organizer: 前橋女子高校、スーパーサイエンススクール出前授業
  • Invited
• [Presentation] 青い光で記憶を消す～心の仕組みとその基盤～ (2017)
  • Author(s): 林（高木）朗子
  • Organizer: 第49回藤田学園医学会シンポジウム
  • Invited