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Neural activity patterns linking neuronal identity and gene expression

Research Project

Project/Area Number 20H00482
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 46:Neuroscience and related fields
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

Takeuchi Haruki  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70548859)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥46,020,000 (Direct Cost: ¥35,400,000、Indirect Cost: ¥10,620,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
Fiscal Year 2021: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
Fiscal Year 2020: ¥24,180,000 (Direct Cost: ¥18,600,000、Indirect Cost: ¥5,580,000)
Keywords嗅覚 / 回路形成 / 神経活動パターン / ヘブ則 / 遺伝子発現 / 神経活動 / 神経回路 / カルシウムシグナル / 発達 / 神経回路形成
Outline of Research at the Start

神経細胞が発する電気的な活動は、脳の発達や環境に応じた可塑的変化など正常な脳機能発現に必須の役割を担う。この神経活動は、活動電位と呼ばれる電気的パルスを単位とするスパイクの列として検出され、数百に及ぶ遺伝子の発現を制御することが知られている。しかしながら、経時的に変化するスパイク列のパターンがどのように細胞内のシグナル伝達系に読み取られ、多様な遺伝子発現が制御されているのかに関しては殆ど解明されていない。本研究では、嗅覚系の神経回路をモデルに、神経活動パターンを遺伝子発現へと変換する分子メカニズムを明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

Using the mouse olfactory circuit as a model system, we conducted experiments to record and manipulate the neural activity of olfactory sensory neurons in order to elucidate the molecular mechanisms of neural activity-dependent circuit formation. In the mouse olfactory system, the temporal pattern of neural activity defined by expressed olfactory receptors regulates the expression levels of genes involved in circuit formation. In this study, we found that cells expressing different olfactory receptors under in vivo conditions showed different patterns of neural activity. We also found that differences in neuronal firing frequency define the expression level of Kirrel2, an axon sorting molecule involved in circuit formation via activation of the activity-dependent transcriptional regulator calcineurin.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

我々の高次脳機能は、多数の神経細胞が織り成す神経回路に支えられている。この神経回路の破綻は、重篤な神経疾患の原因であることから、回路形成メカニズムの解明は基礎と臨床の両面から重要な課題であると考えられている。
一般に哺乳類の神経回路は予め遺伝的決められたプログラムに加えて、臨界期と呼ばれる発達期の特異的な時期における神経活動による洗練過程を得て機能的な回路へと習熟する。本研究では、電気的な活動である神経活動がどのように神経回路の構造へと影響を与えるのかという点に着目し研究を進めた。その結果、特定の神経活動パターンが特定の遺伝子の発現を制御するというこれまでにない新しいメカニズムを明らかにした。

Report

(5 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (34 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 2 results) Presentation (27 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 7 results)

  • [Journal Article] Brain‐wide mapping of presynaptic inputs to basolateral amygdala neurons2021

    • Author(s)
      Morikawa Shota、Katori Kazuki、Takeuchi Haruki、Ikegaya Yuji
    • Journal Title

      Journal of Comparative Neurology

      Volume: - Issue: 11 Pages: 3062-3075

    • DOI

      10.1002/cne.25149

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    • Author(s)
      竹内春樹
    • Journal Title

      日本味と匂学会誌

      Volume: 28 Pages: 11-15

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      森川勝太、池谷裕二、竹内春樹
    • Journal Title

      日本味と匂学会誌

      Volume: 28 Pages: 97-100

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  • [Journal Article] Tb3+-doped fluorescent glass for biology2021

    • Author(s)
      Okamoto Kazuki、Ebina Teppei、Fujii Naoki、Konishi Kuniaki、Sato Yu、Kashima Tetsuhiko、Nakano Risako、Hioki Hiroyuki、Takeuchi Haruki、Yumoto Junji、Matsuzaki Masanori、Ikegaya Yuji
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 7 Issue: 2 Pages: 1-8

    • DOI

      10.1126/sciadv.abd2529

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  • [Journal Article] Cell type-specific patterned neural activity instructs neural map formation in the mouse olfactory system.2020

    • Author(s)
      Nakashima, A., Ihara, N., Ikegaya, Y., Takeuchi, H.
    • Journal Title

      Neuroscience Research

      Volume: S0168-0102(20) Pages: 30397-7

    • DOI

      10.1016/j.neures.2020.06.007

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    • Author(s)
      Yesbolatova Aisha、Saito Yuichiro、Kitamoto Naomi、Makino-Itou Hatsune、Ajima Rieko、Nakano Risako、Nakaoka Hirofumi、Fukui Kosuke、Gamo Kanae、Tominari Yusuke、Takeuchi Haruki、Saga Yumiko、Hayashi Ken-ichiro、Kanemaki Masato T.
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 5701-5701

    • DOI

      10.1038/s41467-020-19532-z

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    • Author(s)
      伊原尚樹、中嶋藍、池谷裕二、竹内春樹
    • Journal Title

      臨床免疫・アレルギー科

      Volume: 73 Pages: 442-448

    • NAID

      40022209430

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      Katori, K., Morikawa, S., Okuyama, T., Nakashima, A., Takeuchi, H., Ikegaya, Y
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      中野利沙子、村上知成、大木研一、池谷裕二、竹内春樹
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      香取和生、森川勝太、奥山輝大、中嶋藍、竹内春樹、池谷裕二
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  • [Presentation] 嗅神経細胞のin vivo神経活動イメージング2022

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      竹内春樹
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      第8回ケモビ研究会
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      竹内春樹、中嶋藍、伊原尚樹、池谷裕二
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  • [Presentation] Neural circuits for switching innate defensive behaviors2021

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      第64回日本神経化学会大会
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      香取和生、池谷裕二、竹内春樹
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      中野利沙子、森川勝太、鐘巻将人、池谷裕二、竹内春樹
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      Katori K., Ikegaya Y., Takeuchi H
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  • [Presentation] 神経活動パターン依存的な嗅覚神経回路の精緻化2020

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      竹内春樹、中嶋藍、伊原尚樹、池谷裕二
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      竹内春樹
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      第54回日本味と匂学会(日本味と匂学会研究奨励賞受賞講演)
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  • [Presentation] 神経系におけるオーキシン誘導性タンパク質高速分解系の構築2020

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  • [Presentation] 神経細胞の自発活動に基づく回路の精緻化2020

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      竹内春樹、中嶋藍、伊原尚樹、池谷裕二
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      第43回日本分子生物学学会年会
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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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