光遺伝学による大脳皮質の情報処理機構の解明

• Project/Area Number: 19H01006
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 46:Neuroscience and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 大木 研一 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (50332622)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥45,500,000 (Direct Cost: ¥35,000,000、Indirect Cost: ¥10,500,000); Fiscal Year 2019: ¥16,250,000 (Direct Cost: ¥12,500,000、Indirect Cost: ¥3,750,000)
• Keywords: 視覚野 / イメージング / 光遺伝学 / 神経回路 / 情報処理

Outline of Research at the Start

大脳の情報処理を考える上で視覚系はモデル系として研究されてきたが、複雑な物体に対する選択性がどのような回路で作られていくのかその理解は進んでいない。これは、高次視覚野の神経細胞の受容野が非線形的であるため系統的に調べる方法がないことと、個々の神経細胞に入力する情報と出力する情報を同時に調べる方法がないことによる。この問題を解明するため、個々の神経細胞に入力するシナプスの機能マッピングを行う方法を開発し、深層学習を用いた高次視覚野の神経細胞の非線形で複雑な受容野を系統的に調べる方法を開発する。これらの最新技術を駆使して脳の情報処理の素過程を解明し、脳の情報処理の原理を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

スパインイメージングによって、個々のスパインにどのような情報が入力するかを計測し、それが細胞体の活動電位とどのように関係するかを調べる方法を開発した。GCaMP6sをcre-loxPを用いて、ごく少数の神経細胞だけに発現させ、その細胞のスパインの２光子カルシウムイメージングを行いながら、動物に様々な視覚刺激を提示した。
スパインのカルシウム流入は、主にNMDA受容体に依存し、シナプス前部からグルタミン放出があったときに発生するので、スパインイメージングにより、どのような視覚刺激を提示したときに、個々のシナプスからの入力が入るのか調べることができる。従って、シナプス後の細胞に入力を送るシナプス前の細胞の活動を見なくても、シナプス後部のスパインの活動としてシナプス入力を調べることができる。このようにスパインのカルシウムイメージングを行ってから、細胞体でも２光子カルシウムイメージングを行えば、ある細胞にどのような情報が入力し、どのような情報が出力するのかを調べることが可能である。
この時、細胞体で活動電位が発生すると、活動電位は樹状突起へ逆伝播し、電位依存性のカルシウムチャンネルを開口する。これにより発生するカルシウム流入は、スパインのNMDA受容体からの流入量を凌駕し、シナプス入力のシグナルをマスクしてしまう。この問題を解決するため、光遺伝学により活動電位の逆伝播を停止させながら、スパインの２光子カルシウムイメージングを行う方法を開発した。
光照射により神経活動を抑制する方法は、抑制型チャネルロドプシンの登場以来多く使われてきたが、イメージングとの組み合わせは難しく、光で抑制しながら光でイメージングをすることは行われてこなかった。この問題に対処するため、ステップ関数型の抑制型チャネルロドプシンを用いて、一過性の光照射で細胞体を不活性化し、その間にスパインイメージングを行った。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。