In vivo神経動態イメージングによる記憶長期化過程の解明

• Project/Area Number: 22H00432
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 尾藤 晴彦 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (00291964)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥42,510,000 (Direct Cost: ¥32,700,000、Indirect Cost: ¥9,810,000); Fiscal Year 2024: ¥13,390,000 (Direct Cost: ¥10,300,000、Indirect Cost: ¥3,090,000); Fiscal Year 2023: ¥13,780,000 (Direct Cost: ¥10,600,000、Indirect Cost: ¥3,180,000); Fiscal Year 2022: ¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000)
• Keywords: 脳・神経 / 長期記憶 / 分子

Outline of Research at the Start

本研究では、in vivo多重イメージング法により1）逆シナプスタグ化機構解明を糸口にし、長期記憶のシナプス情報表現を解明し、2）連合記憶長期貯蔵を規定する皮質-視床回路による制御機構を明らかにする。さらに、遠隔記憶貯蔵メカニズムの操作による正常老化・認知症病態への新規介入戦略を実証していく。これにより、シナプス可塑性が脳情報長期貯蔵を規定している機構の最終解明を実現する。

Outline of Annual Research Achievements

令和5年度研究では、研究計画に則り、以下の研究目的に沿って、研究を推進した。
1) 逆シナプスタグ化機構解明を糸口にした、長期貯蔵される連合記憶シナプス情報表現の解読のための各種細胞内情報伝達シグナル計測の推進。
2）連合記憶長期貯蔵を規定する皮質-皮質下回路の解明と探索。
3）遠隔記憶貯蔵メカニズム操作による長期記憶表現型修飾を実現するための実験系構築。
初年度の進展に引き続き、シナプスレベルでの逆シナプスタグ生成・維持に寄与する可塑性シグナリングの可視化実験を進め、可塑的強化を受けないシナプスにおける異シナプス性長期抑圧（hL-LTD）のイメージングに成功した。hL-LTDはArc欠損神経細胞では観察されなかったことから、長期可塑性誘導後におけるArcの逆シナプスターゲティング機構が、ゆるやかな負のシナプスエングラムのメカニズムとして機能する可能性が示唆された。一方、連合記憶形成・強化・消去の制御機構を明らかにするため、恐怖条件付け長期記憶形成・想起時に活性化される前頭前野の第5層を含む深部層の2光子活動イメージングを試み、CS-US連合中の活性化細胞群の活動解析を開始した。また、E-SARE陽性細胞同定と神経活動イメージングの同時計測により、オペラント学習過程における柔軟な脳活動動態の遷移機構の解析をも引き続き進めた。最終年度においては、これら進展を論文化し、長期連合記憶形成に関するin vivoメカニズム解明をさらに推進する予定である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

新たなイメージング技術の開発が順調に進み、長期記憶の分子機構解明に寄与するとともに、in vivo長期連合記憶の可視化が着実に進展しているため。

Strategy for Future Research Activity

これまでに作出し条件検討した各種分子プローブやイメージング技術を完成をさせる。これまでの2年間の成果をまとめ、長期記憶における細胞体およびにシナプスレベルの情報表現を解明していく。特に、恐怖記憶の形成・長期貯蔵の過程における活動動態を、細胞体ならびに樹状突起レベルで記録し、記憶痕跡が生じる際のアンサンブル動態の解明を実現する。これにより記憶形成時における活動動態変化と、それに伴う記憶長期化誘導、遠隔記憶の記憶痕跡形成に至る細胞機構のさらなる理解を前進させる。

Research Products

• [Journal Article] Lipidation states orchestrate CLICK-III/CaMKIgamma‘s stepwise association with Golgi and rafts-enriched membranes and specify its functional coupling to STEF-Rac1-dependent neurite extension (2023)
  • Author(s): Ageta-Ishihara N*, #(*共同筆頭著者, #共同責任著者), Takemoto-Kimura S*, Kondo Y, Okamura M, Bito H#.
  • Journal Title: Frontiers in Cellular Neuroscience Volume: 17 Pages: 1204302-1204302
  • DOI: 10.3389/fncel.2023.1204302
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Forster resonance energy transfer-based kinase mutation phenotyping reveals an aberrant facilitation of Ca2+/calmodulin-dependent CaMKIIα activity in de novo mutations related to intellectual disability (2022)
  • Author(s): Fujii Hajime、Kidokoro Hiroyuki、Kondo Yayoi、Kawaguchi Masahiro、Horigane Shin-ichiro、Natsume Jun、Takemoto-Kimura Sayaka、Bito Haruhiko
  • Journal Title: Frontiers in Molecular Neuroscience Volume: 15 Pages: 1-20
  • DOI: 10.3389/fnmol.2022.970031
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In Vivo Wide-Field and Two-Photon Calcium Imaging from a Mouse using a Large Cranial Window (2022)
  • Author(s): Manita S, Shigetomi E, Bito H, Koizumi S, Kitamura K
  • Journal Title: Journal of Visualized Experiments Volume: 186 Issue: 186 Pages: 186-186
  • DOI: 10.3791/64224
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Flexible adaptation of mPFC neuronal dynamics before, during and after auditory fear conditioning (2023)
  • Author(s): Kondo H, Kim R, Shimoda R, Yamashita R, Kim J, Brebner LS, Song H, Inokuchi K, Kondo Y, Okamura M, Ota K, Fujii H, Bito H
  • Organizer: Annual Meeting of the Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multiplex Imaging of Neural Activity and Signaling Dynamics (2023)
  • Author(s): Bito H
  • Organizer: 世界脳研究機構(IBRO)ワールドコングレス 2023
  • Invited
• [Presentation] Capturing and measuring circuit dynamics in active ensembles during cognition (2023)
  • Author(s): Bito H
  • Organizer: UK-Japan Neuroscience Symposium
  • Invited
• [Presentation] Dynamic control of late-phase plasticity and long-term memory via bidirectional signaling between the synapses and the nucleus (2023)
  • Author(s): Bito H
  • Organizer: Long-term potentiation - 50 years on
  • Invited
• [Presentation] Multiplex imaging of neural activity and signaling dynamics (2022)
  • Author(s): Bito H
  • Organizer: Opening Plenary Lecture (PL1), Biennial Meeting of the International Society for Neurochemistry -held in conjunction with the Asian-Pacific Society for Neurochemistry
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Multiplex imaging of neural activity and signaling dynamics (2022)
  • Author(s): Bito H
  • Organizer: 6th International Symposium Frontiers in Neurophotonics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A stepwise recruitment of cortical active ensembles into Arc-based engram cells during tone-reward associative memory formation (2022)
  • Author(s): Leonie S. Brebner, Michiko Okamura, Yayoi Kondo, Tatsushi Yokoyama, Ranmaru Shimoda, Ryang Kim, Hiroyuki Okuno, Haruhiko Bito
  • Organizer: Engrams and Neuronal Ensembles in Learning and Memory: from Molecules to Behaviour
  • Int'l Joint Research / Invited