逆問題を解くことでシナプス可塑性に迫る

Research Project

Project/Area Number	22650080
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
Allocation Type	Single-year Grants
Research Field	Neurophysiology and muscle physiology
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	池谷裕二 The University of Tokyo, 薬学研究科(研究院), 准教授 (10302613)
Project Period (FY)	2010 – 2011
Project Status	Completed (Fiscal Year 2011)
Budget Amount *help	¥3,320,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥420,000) Fiscal Year 2011: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000) Fiscal Year 2010: ¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
Keywords	神経回路 / 発火 / シナプス / 可塑性 / 情報 / 共焦点顕微鏡 / 活動電位 / アストロサイト
Research Abstract	シナプス可塑性のもっともよく知られた誘導ルールはスパイクタイミング依存性可塑性(STDP)である。本研究ではSTDPのルールを根幹から疑うことをスタート地点として研究をスタートした。手始めに、スパイクの伝導遅延に着目し、これがシナプスに到達するまでに時間差をもたらすことを仮定し、軸索の中途から伝導中のスパイクを記録したところ、活動電位の波形が摂動により変形しうることを見出した。具体的には、海馬培養スライス標本において、海馬CA3野錐体細胞の細胞体にAlexa Fluor蛍光色素を注入することで軸索を可視化し、細胞体から150-700μm離れた軸索からパッチクランプ記録を試みた。この記録のために、蛍光アルブミンタンパク質を電極表面にコーティングしてパッチクランプ電極を蛍光可視化した。細胞体と軸索の中間領域に、10μMグルタミン酸を局所的に適用したところ、軸索の活動電位幅が可逆的に増大した)。この効果は、非NMDA型グルタミン酸受容体アンタゴニストであるCNQXにより消失した。活動電位の増大がどれほど遠方に伝播するかを調べるため、グルタミン酸の適用領域から様々な距離において記録を行った。その結果、適用部位から遠ざかるほど、活動電位幅の増大効果は小さくなり、その減衰距離定数は223μmであった。これまで、神経細胞はアナログ入力(シナプス電位)をデジタル出力(活動電位)する「アナログ→デジタル変換素子」として捉えられてきた。すなわち、軸索起始部で発生した活動電位は、その後、減衰することなく一定の強度で軸索の終末まで伝播し、シナプス出力に直結するという概念である。この教科書的な基本則に反し、本研究では、i)活動電位の波形が軸索伝導中に変形されうること、そして、ii)その変形によってシナプス出力がアナログ的に変調されるという2つの重要な知見を明らかにした。