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Subcellular analysis of the mechanism underlying ectopic spike generation in axon

Research Project

Project/Area Number 21K06434
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 46030:Function of nervous system-related
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

神谷 温之  北海道大学, 医学研究院, 教授 (10194979)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords軸索 / 海馬 / サブセルラー記録 / 数理モデル解析 / 同期リズム形成
Outline of Research at the Start

本研究では、直径4~7ミクロンと例外的に大型の海馬苔状線維の軸索終末からサブセルラーパッチクランプによる直接記録を行い、また、苔状線維を模した最新の数理モデルに基づくシミュレーションを組み合わせ、遠位軸索における異所性スパイク発生の検証、ケージ解除による異所性スパイクの発生部位の同定、シミュレーションによる異所性スパイクの数理モデル解析などの観点から、遠位軸索における異所性スパイクの発生機構について検討する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、例外的に大型の海馬苔状線維の軸索終末からサブセルラーパッチクランプによる直接記録を行い、また、苔状線維を模した最新の数理モデルに基づくシミュレーションを組み合わせ、遠位軸索における異所性スパイク発生の検証、異所性スパイクの発生部位の同定、シミュレーションによる異所性スパイクの数理モデル解析などを行う。通常の活動電位発生部位である軸索初節部ではなく、遠位軸索で活動電位が生じる、いわゆる「異所性スパイク」 について直接的に検証し、遠位軸索における異所性スパイクの発生機構について追及する。昨年度までに、カリウムチャンネルブロッカーである4-アミノピリジンの遠位軸索への局所投与による異所性スパイクのバースト発火を生じること、およびシミュレーションによる数理モデル解析で再現できることを明らかにした。本年度は、生理的条件下で異所性スパイクの発生を引き起こす可能性について検討をすすめ、入力線維に強い繰り返し刺激を与えると、刺激後にも継続して活動電位の発火が継続する後発射を生じ、これが遠位軸索由来の異所性スパイクによる可能性をマウス海馬での電気生理実験で示した。また、シミュレーションを用いた検討で、入力線維の繰り返し刺激に遠位軸索の軽度の脱分極を組み合わせることで、異所性スパイク発生による後発射の発生を再現することができた。苔状軸索のカリウムチャンネルは顕著な不活性化を示すが、不活性化を除去したモデルを構築し軸索カリウムチャンネルをこれに置換したところ、異所性スパイクによる後発射が完全に消失することを示した。カリウムチャンネルの不活性化の累積が異所性スパイクの発生に促進的に作用する可能性が示唆された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

マウス海馬スライス標本を用いた実験的研究で、カリウムチャンネルブロッカーである4-APの投与や生理的な繰り返し刺激により遠位軸索由来の異所性スパイクを生じ、海馬苔状線維を模した数理モデルに基づくシミュレーションでもこれが再現できることを示した。実験と理論の両面からの研究が相互補完的に進捗していることから、おおむね順調に研究が進捗していると考える。

Strategy for Future Research Activity

これらの結果に関する論文投稿を進めるとともに、マウス海馬スライスを用いた単一苔状線維終末からの直接記録による実験的解析をさらに進め、反復刺激による異所性スパイク発生のメカニズムを追求し、シミュレーションによる検討も行う予定である。

Report

(3 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (19 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 6 results) Book (1 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Simulation test for impartment of use-dependent plasticity by inactivation of axonal potassium channels on hippocampal mossy fibers2023

    • Author(s)
      Zheng Fumeng、Kamiya Haruyuki
    • Journal Title

      Frontiers in Cellular Neuroscience

      Volume: 17 Pages: 1154910-1154910

    • DOI

      10.3389/fncel.2023.1154910

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Modeling analysis of subthreshold voltage signaling along hippocampal mossy fiber axons2022

    • Author(s)
      Kamiya Haruyuki
    • Journal Title

      Frontiers in Cellular Neuroscience

      Volume: 16 Pages: 966636-966636

    • DOI

      10.3389/fncel.2022.966636

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Stimulus-induced bursts of hippocampal mossy fibers2024

    • Author(s)
      Kamiya H
    • Organizer
      The 12th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Stimulus-induced burst of hippocampal mossy fiber projection2024

    • Author(s)
      神谷温之
    • Organizer
      第101回日本生理学会大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 海馬苔状線維シナプス短期可塑性における軸索カリウムチャンネル不活性化の寄与に関するシミュレーション解析2023

    • Author(s)
      神谷温之
    • Organizer
      日本生理学会北海道地方会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Simulation analysis of stimulus-induced hyperexcitability of hippocampal mossy fiber2023

    • Author(s)
      Kamiya H
    • Organizer
      Neuroscience 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Computational test for the roles of potassium channel inactivation in short-term plasticity2023

    • Author(s)
      Kamiya H
    • Organizer
      The 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 海馬苔状線維シナプスの周波数促通における不活性化型カリウムチャネルの寄与に関するシミュレーション解析2023

    • Author(s)
      鄭 富檬、神谷温之
    • Organizer
      第100回日本生理学会大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 軸索興奮性の活動依存的な制御機構2023

    • Author(s)
      神谷温之
    • Organizer
      第100回日本生理学会大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Computational modeling of excitability tuning of hippocampal mossy fibers by axonal M-channels2022

    • Author(s)
      Zhao Peng、神谷温之
    • Organizer
      日本生理学会北海道地方会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Simulation analysis of use-dependent modification of presynaptic Ca2+ entry at hippocampal mossy fiber synapse2022

    • Author(s)
      Kamiya H
    • Organizer
      Neuroscience 2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Modeling subthreshold voltage signaling along axon in the hippocampus2022

    • Author(s)
      Haruyuki Kamiya
    • Organizer
      The 10th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 計算論的アプローチによる軸索の閾値下シグナル の解析2022

    • Author(s)
      神谷温之
    • Organizer
      第99回日本生理学会大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 閾値下シナプス応答が海馬苔状線維終末へのカルシウム流入に与える影響に関するシミュレーション解析2021

    • Author(s)
      神谷温之
    • Organizer
      日本生理学会北海道地方会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] Modeling of axonal afterdepolarization at hippocampal mossy fibers2021

    • Author(s)
      Haruyuki Kamiya
    • Organizer
      Axons 2021: Structure and Function
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Simulation analysis of subthreshold voltage signaling along hippocampal mossy fibers2021

    • Author(s)
      Haruyuki Kamiya
    • Organizer
      Neuroscience 2021
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Book] 生理学用語ハンドブック2024

    • Author(s)
      日本生理学会用語委員会
    • Total Pages
      448
    • Publisher
      丸善出版
    • ISBN
      9784621309087
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Remarks] 北海道大学大学院医学研究院神経生物学教室ホ ー ム ペ ー ジ

    • URL

      http://neurobiology.html.xdomain.jp/

    • Related Report
      2023 Research-status Report 2022 Research-status Report
  • [Remarks] 北海道大学大学院医学研究院神経生物学教室ホームページ

    • URL

      http://neurobiology.html.xdomain.jp/

    • Related Report
      2021 Research-status Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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