Neural Circuit Genetics of the Claustrum

• Project/Area Number: 21H04788
• 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: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 吉原 良浩 国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, チームリーダー (20220717)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,730,000 (Direct Cost: ¥32,100,000、Indirect Cost: ¥9,630,000); Fiscal Year 2024: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000); Fiscal Year 2023: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000); Fiscal Year 2022: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000); Fiscal Year 2021: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000)
• Keywords: 前障 / 徐波 / Down state / フィードフォワード抑制 / 意識 / 大脳皮質 / 大規模ネットワーク / TRIO / 神経回路 / scRNA-seq / 遺伝子発現プロファイル / Down State / 徐波活動 / 睡眠 / 光遺伝学 / エンドマイクロスコープ / 記憶

Outline of Research at the Start

前障（Claustrum）は哺乳類の大脳皮質の内側に位置する薄いシート状の構造であるが、その機能や詳細な神経接続についてはほとんど解明されていない未踏の脳領域である。私たちは最近、前障ニューロン特異的にDNA組換え酵素Creを発現するトランスジェニックマウス系統（Cla-Cre#1マウス）を用いて、前障が大脳皮質の徐波活動を制御することを見出した。本研究では新たに樹立したマウス系統（Cla-Cre#2、Cla-tTA）を加えて、光/化学遺伝学・生理学・行動学・解剖学など多様な実験手法を統合的に組み合わせ、「前障は意識の中枢である」というCrickの仮説の検証とともにその機能解明に挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

前障（Claustrum）は哺乳類の大脳皮質の内側に位置する薄いシート状の構造であるが、その機能や詳細な神経接続についてはほとんど解明されていない未踏の脳領域である。晩年のFrancis Crickが『意識』に相関した脳活動の考察において、前障が意識を司る脳部位であるという大胆な仮説を提唱した。しかしながら前障の複雑かつ不規則な構造、さらにはマーカー分子・有用遺伝子ツールの欠如などが障壁となり、この興味深い仮説の実験的検証には未だ至っていない。私たちは、前障ニューロン特異的にDNA組換え酵素Creを発現するトランスジェニックマウス系統（Cla-Cre#1マウス）を用いて、前障が大脳皮質の徐波活動を制御することを見出した（Nat. Neurosci. 2020）。本研究では新たに樹立したマウス系統（Cla-Cre#2、Cla-tTA）を加えて、光/化学遺伝学・生理学・行動学・解剖学など多様な実験手法を統合的に組み合わせ、Crickの仮説の検証とともに未知の脳領域である前障の機能解明に挑戦する。2023年度においては、Cla-Cre#1とCla-tTAのダブルトランスジェニックマウスを作成し、ClaとtTAが異なる前障ニューロンサブセットに発現することを見いだした。また、AAVretroを用いて逆行性かつCre依存的に2種類の蛍光蛋白質を異なるサブセットのCla-Creニューロンに発現するマウスにおけるscRNA-seq解析を行い、前障ニューロンサブセットごとの遺伝子発現プロファイルを明らかにした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

2023年度までの研究により、前障を中心とした入力・出力神経回路の基本原理を明らかにするとともに、解剖学的かつ分子発現プロファイルにおいて異なる前障ニューロンサブセットを同定することができた。これらのことから本研究はおおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

今後は、前障ニューロンのカルシウムイメージングや行動学的解析を組み合わせることによって、異なるタイプの前障ニューロンの機能的差異の解明へと向かう。

Research Products

• [Journal Article] Axonal mRNA binding of hnRNP A/B is crucial for axon targeting and maturation of olfactory sensory neurons (2023)
  • Author(s): 1.Nanaho Fukuda, Tomoyuki Fukuda, Piergiorgio Percipalle, Kanako Oda, Nobuyuki Takei, Kevin Czaplinski, Kazushige Touhara, Yoshihiro Yoshihara, and Toshikuni Sasaoka
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 42 Issue: 5 Pages: 112398-112398
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.112398
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification of olfactory alarm substances in zebrafish (2023)
  • Author(s): Masuda M, Ihara S, Mori N, Koide T, Miyasaka N, Wakisaka N, Yoshikawa K, Watanabe H, Touhara K, Yoshihara Y
  • Journal Title: Current Biology Volume: 34 Issue: 7 Pages: 1377-1389
  • DOI: 10.1016/j.cub.2024.02.003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 特集 意識 Ⅱ.動物を対象とした実験的アプローチ 前障と意識 (2022)
  • Author(s): 吉原良浩
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 73 Issue: 1 Pages: 54-58
  • DOI: 10.11477/mf.2425201465
  • ISSN: 0370-9531, 1883-5503
  • Year and Date: 2022-02-15
• [Journal Article] Neuronal glutathione loss leads to neurodegeneration involving gasdermin activation (2022)
  • Author(s): Hashimoto S, Matsuba Y, Takahashi M, et al.
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 13 Issue: 1 Pages: 1109-1109
  • DOI: 10.1038/s41598-023-27653-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Input/output connectivity patterns and gene expression profiles of two neuronal populations in the claustrum (2023)
  • Author(s): Takahiro Hino, Yuriko Mishima, Ayako Ajima, Kazumi Fukatsu, Rumiko Mizuguchi, Momoko Shiozaki, Nobuhiko Miyasaka, Yoshihiro Yoshihara
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] The claustrum orchestrates cortical slow-wave activity. (2022)
  • Author(s): Yoshihiro Yoshihara
  • Organizer: IBRO-RIKEN CBS Summer Program
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The claustrum orchestrates cortical slow-wave activity. (2021)
  • Author(s): Yoshihiro Yoshihara
  • Organizer: 13th Uehara International Symposium "Brain-Periphery Interactions in Health and Diseases"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] Demystifying the elusive claustrum.
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=8IhebwuPSzY