脳-脊髄をつなぐ運動性下行路再編の統合的解析

• Project/Area Number: 21H02590
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 46020:Anatomy and histopathology of nervous system-related
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 上野 将紀 新潟大学, 脳研究所, 教授 (40435631)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2023: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2022: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2021: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
• Keywords: 運動下行路 / 皮質脊髄路 / 脳梗塞 / 神経回路 / 再編

Outline of Research at the Start

本研究は、脳－脊髄をつなぐ運動性の下行路が、脳障害後にどのような再編様式をもって新たな回路網を作り機能の回復に寄与するのか明らかにすることを目的とする。脳の障害後、運動機能の回復に、残存した神経の再編が重要であるとわかってきている。しかし運動の指令をになう多様な脊髄への下行路が再編し機能を発揮する実体の理解が進んでいない。本研究では、脳部位を障害したマウスモデルにおいて、運動下行路が脊髄回路網にどのように統合され再編し機能回復に寄与するのか、その神経基盤を明らかにする。本研究から、障害脳ではたらく神経回路の実体を体系化し、神経再編と機能回復の機序の理解へ貢献する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、脳障害後に起こる、脳－脊髄をつなぐ運動下行路の再編様式を体系化し、再編する神経回路の接続と機能の実体を明らかにすることを目的とする。脳障害は、神経回路を破綻させ、運動をはじめとする神経機能の低下をもたらす。一方、失われた機能は、回復・増悪するなど変容することが知られ、この機能変容は、障害から逃れ残存した神経回路の可塑的、代償的変化により起こると近年示されている。私たちはこれまで、脳障害後に、運動を担う下行路である皮質脊髄路が再編し、機能回復を担うことを示してきた。可塑性を増強する治療標的となる回路を正確に把握するため、障害部位に応じた再編や機能回復の神経機序の理解が求められている。本年度は、脳梗塞モデルマウスにおいて、再編した皮質脊髄路の軸索が投射する脊髄ニューロンとの接続が機能的かを調べるため、皮質脊髄路を光遺伝学的手法で刺激し、標的脊髄ニューロンの活動を調べたところ、梗塞後、応答性が増加することを見出した。また、再編した回路の機能を調べるため、回路内のニューロンの活動を化学遺伝学的に抑制し、腕を伸ばしエサを取る巧緻運動を３次元キネマティック解析したところ、これらのニューロンが巧緻運動の機能回復に寄与することを明らかにした。以上より、脳梗塞後に再編し、機能回復をもたらす回路構造を明らかにした。本成果は、脳卒中や脊髄損傷など、皮質脊髄路が障害される疾患において、どのような神経回路の修復や再建が機能回復へ必要であるのか、治療標的とすべき神経基盤の理解に貢献すると期待される。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Burke Neurological Institute/Cincinnati Children's Hospital(米国)
• [Journal Article] Rewiring of corticospinal tract after central nervous system injuries (2023)
  • Author(s): 井上 貴博、上野 将紀
  • Journal Title: Japanese Journal of Neuropsychology Volume: 39 Issue: 1 Pages: 30-39
  • DOI: 10.20584/neuropsychology.17171
  • ISSN: 0911-1085, 2189-9401
  • Year and Date: 2023-03-25
• [Journal Article] TDP-43 differentially propagates to induce antero- and retrograde degeneration in the corticospinal circuits in mouse focal ALS models (2023)
  • Author(s): Tsuboguchi Shintaro、Nakamura Yuka、Ishihara Tomohiko、Kato Taisuke、Sato Tokiharu、Koyama Akihide、Mori Hideki、Koike Yuka、Onodera Osamu、Ueno Masaki
  • Journal Title: Acta Neuropathologica Volume: 146 Issue: 4 Pages: 611-629
  • DOI: 10.1007/s00401-023-02615-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Autonomic dysfunction and neural circuit rewiring in spinal cord injury (2023)
  • Author(s): 上野将紀
  • Journal Title: The Autonomic Nervous System Volume: 60 Issue: 3 Pages: 110-114
  • DOI: 10.32272/ans.60.3_110
  • ISSN: 0288-9250, 2434-7035
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Voluntary Running Restores Age-related Loss of Neural Repair Abilities and Circadian Rhythms after Brain Injury (2023)
  • Author(s): 田中貴士、浦大樹、前田拓哉、柳田寧々、三次恭平、古木ほたる、 上野将紀
  • Journal Title: Journal of Physical Therapy Fundamentals Volume: 26 Issue: 1 Pages: 11-20
  • DOI: 10.24780/jjptf.JJPTF_2023-06
  • ISSN: 2436-6382
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 脳脊髄液接触ニューロン：脳脊髄液センサーとしての可能性を探る (2023)
  • Author(s): 中村由香、上野将紀
  • Journal Title: 細胞 Volume: 55 Pages: 32-36
• [Journal Article] Cerebrospinal fluid-contacting neuron tracing reveals structural and functional connectivity for locomotion in the mouse spinal cord (2023)
  • Author(s): Nakamura Yuka、Kurabe Miyuki、Matsumoto Mami、Sato Tokiharu、Miyashita Satoshi、Hoshina Kana、Kamiya Yoshinori、Tainaka Kazuki、Matsuzawa Hitoshi、Ohno Nobuhiko、Ueno Masaki
  • Journal Title: eLife Volume: 12 Pages: 1-31
  • DOI: 10.7554/elife.83108
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 脳・脊髄障害後の神経回路再編の可視化 (2022)
  • Author(s): 佐藤時春、上野将紀
  • Journal Title: Clinical Neuroscience Volume: 40 Pages: 746-749
• [Journal Article] リハビリテーションと分子標的の併用による脳損傷後の機能回復 (2022)
  • Author(s): 田中貴士、上野将紀
  • Journal Title: 基礎理学療法学 Volume: 25 Pages: 43-49
• [Journal Article] Lesion area in the cerebral cortex determines the patterns of axon rewiring of motor and sensory corticospinal tracts after stroke. (2021)
  • Author(s): Sato T, Nakamura Y, Takeda A, Ueno M.
  • Journal Title: Front Neurosci Volume: 15 Pages: 737034-737034
  • DOI: 10.3389/fnins.2021.737034
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Modulation of both intrinsic and extrinsic factors additively promotes rewiring of corticospinal circuits after spinal cord injury. (2021)
  • Author(s): Nakamura Y, Ueno M, Niehaus JK, Lang RA, Zheng Y, Yoshida Y.
  • Journal Title: J Neurosci Volume: 41 Issue: 50 Pages: 10247-10260
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2649-20.2021
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Neuro-immune circuitry to restore in the brain and spinal cord injuries (2021)
  • Author(s): Ueno M
  • Journal Title: Int Immunol Volume: in press Issue: 6 Pages: 311-325
  • DOI: 10.1093/intimm/dxab017
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 中枢神経の障害がもたらす免疫系の変容と病態 (2021)
  • Author(s): 上野将紀
  • Journal Title: 生体の化学 Volume: 72 Pages: 409-411
• [Journal Article] 中枢神経障害による免疫系の変容 (2021)
  • Author(s): 上野将紀
  • Journal Title: 医学のあゆみ Volume: 277 Pages: 1104-1107
• [Presentation] Elucidating the degenerative process of the corticospinal circuit in ALS (2024)
  • Author(s): Ueno M
  • Organizer: 14th BRI international Synposium ALS/FTD: in depth understanding and up-to date.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 中枢神経の損傷における病態と回路の再建 (2024)
  • Author(s): 上野将紀
  • Organizer: 第23回日本再生医療学会
  • Invited
• [Presentation] 脳脊髄液を感知する脊髄ニューロンの回路構造と機能 (2024)
  • Author(s): 上野将紀
  • Organizer: 第129回日本解剖学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] Connectivity of rewired corticospinal circuit for motor recovery after stroke (2024)
  • Author(s): Sato T, Nakamura Y, Matsuzawa H, Ueno M
  • Organizer: Sensorimotor circuits for limb control
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structure and connectivity of cerebrospinal fluid-contacting neurons for locomotion in the mouse spinal cord (2024)
  • Author(s): Nakamura Y, Kurabe M, Matsumoto M, Sato T, Miyashita S, Hoshina K, Kamiya Y, Tainaka K, Matsuzawa H, Ohno N, Ueno M
  • Organizer: Sensorimotor circuits for limb control
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reorganization and molecular changes in the corticospinal circuit after stroke (2024)
  • Author(s): Sato T, Nakamura Y, Matsuzawa H, Ueno M
  • Organizer: 第13回生理研‐ヒト進化センター‐脳研合同シンポジウム
• [Presentation] Revealing the structure and connections of cerebrospinal fluid-contacting neurons in the mouse spinal cord (2024)
  • Author(s): Nakamura Y, Kurabe M, Matsumoto M, Sato T, Miyashita S, Hoshina K, Kamiya Y, Tainaka K, Matsuzawa H, Ohno N, Ueno M
  • Organizer: 第13回生理研‐ヒト進化センター‐脳研合同シンポジウム
• [Presentation] 中枢神経の損傷における神経回路の再編 (2023)
  • Author(s): 上野将紀
  • Organizer: 千里LF産学学術交流会
  • Invited
• [Presentation] 神経回路の再建を目指した取り組み (2023)
  • Author(s): 上野将紀
  • Organizer: GTPハッカソン
  • Invited
• [Presentation] 中枢神経の損傷における皮質脊髄路の再編機序 (2023)
  • Author(s): 上野将紀
  • Organizer: 脳修復研究会
  • Invited
• [Presentation] 脳損傷における皮質脊髄路の再構築の機序 (2023)
  • Author(s): 上野将紀
  • Organizer: 第66回日本脳循環代謝学会
  • Invited
• [Presentation] 脳脊髄液に接するニューロンの構造と回路網 (2023)
  • Author(s): 上野将紀
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第66回シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 歩行運動を制御する脳脊髄液接触ニューロンの構造と回路網 (2023)
  • Author(s): Nakamura Y, Kurabe M, Matsumoto M, Sato T, Miyashita S, Hoshina K, Kamiya Y, Tainaka K, Matsuzawa H, Ohno N, Ueno M
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] 脳梗塞後の運動機能回復に寄与する皮質脊髄路の再編と接続様式 (2023)
  • Author(s): Sato T, Nakamura Y, Matsuzawa H, Ueno M
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] 脳梗塞後における網羅的遺伝子発現解析による皮質脊髄路の軸索再編誘導因子の探索 (2023)
  • Author(s): Ikarashi K, Sato T, Nakamura Y, Yano M, Ueno M
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] 脳脊髄液に接する神経回路 (2023)
  • Author(s): 上野将紀
  • Organizer: 第3回動的恒常性研究会
• [Presentation] 脳脊髄液に接するニューロンの構造と回路網 (2023)
  • Author(s): 中村由香
  • Organizer: 第63回新潟生化学懇話会
  • Invited
• [Presentation] 脳梗塞後の皮質脊髄路における軸索再編を促す因子の探索 (2023)
  • Author(s): 五十嵐航平、佐藤時春、中村由香、矢野真人、上野将紀
  • Organizer: 第63回新潟生化学懇話会
• [Presentation] Exploring sensorimotor circuits in the spinal cord (2023)
  • Author(s): Ueno M
  • Organizer: デンマーク・オーフス大学DANDRITE研究所-新潟大学脳研究所連携シンポジウム
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高齢期の脳損傷マウスにおける神経回路再編に寄与する遺伝子の解明 (2022)
  • Author(s): 田中貴士、浦大樹、上野将紀
  • Organizer: 第25回熊本県理学療法士学会
• [Presentation] 脊髄損傷にともなう自律神経-免疫系の病態機序 (2022)
  • Author(s): 上野将紀
  • Organizer: 第75回日本自律神経学会
  • Invited
• [Presentation] 自発的な走行運動は高齢期に失われる脳損傷後の神経可塑性を回復させる (2022)
  • Author(s): 田中貴士、浦大樹、硎澄仁、新井田要、上野将紀
  • Organizer: 第27回日本基礎理学療法学会学術大会
• [Presentation] 中枢神経の障害にともなう皮質脊髄路の再編 (2022)
  • Author(s): 上野将紀
  • Organizer: 第46回日本神経心理学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] Voluntary exercise restores the ability of corticospinal tract rewiring and motor recovery lost in aged mice after brain injury (2022)
  • Author(s): 田中貴士、浦大樹、硎澄仁、新井田要、上野将紀
  • Organizer: Neuro 2022
• [Presentation] Rewiring of corticospinal circuits after CNS injuries. (2022)
  • Author(s): 上野将紀
  • Organizer: 第11回生理研-霊長研-新潟脳研合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] The patterns of axon rewiring of multiple corticospinal tract pathways after stroke in different cortical areas. (2021)
  • Author(s): Sato T, Nakamura Y, Ueno M.
  • Organizer: Neuroscience 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 中枢神経の障害による神経-免疫連関の変容 (2021)
  • Author(s): 上野将紀
  • Organizer: 第40回日本認知症学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 中枢神経障害におけるグリア動態と神経回路の再建 (2021)
  • Author(s): 上野将紀
  • Organizer: 第94回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] Poststroke reorganization of the corticospinal circuit (2021)
  • Author(s): Sato T, Nakamura Y, Ueno M.
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] 高齢期における脳損傷後の神経回路再編を制御する因子の探索 (2021)
  • Author(s): 田中貴士、浦大樹、硎澄仁、新井田要、上野将紀
  • Organizer: 第19回コ・メディカル形態機能学会学術集会
• [Remarks] 筋萎縮性側索硬化症（ALS）における異常なたんぱく質の広がり方を解明
  • URL: https://www.bri.niigata-u.ac.jp/research/result/001985.html
• [Remarks] 脳梗塞の部位により異なる皮質脊髄路の再編様式を解明
  • URL: https://www.bri.niigata-u.ac.jp/research/result/001597.html
• [Remarks] 脊髄損傷において皮質脊髄路の再編をうながす分子標的を解明
  • URL: https://www.bri.niigata-u.ac.jp/research/result/001626.html