| Project/Area Number |
22K06446
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 46010:Neuroscience-general-related
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| Research Institution | Kagoshima University |
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Principal Investigator |
玉川 直 (中川直) 鹿児島大学, 医歯学域医学系, 助教 (20611065)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水野 秀信 熊本大学, 国際先端医学研究機構, 特任准教授 (00567159)
神戸 悠輝 鹿児島大学, 医歯学域医学系, 講師 (60549913)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | gap junction / イオンチャネル / 大脳皮質 / 半球間投射 / 大脳皮質第５層 / 神経活動 / 半球間投射発達 / 脳疾患 |
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| Outline of Research at the Start |
大脳皮質の半球間投射は、左右の半球を正しく神経接続することで高度な脳機能を生む重要な構造であるが、その発達調節機構はよくわかっていない。私達はこれまでの研究で、半球間投射は神経活動の低下と亢進のいずれによっても減少すること、および半球間投射を持つ第５層の神経細胞が投射の発達時期にgap junctionで密に結合し合い活動レベルが均一化されることを明らかにした。本研究では、私達が持つ遺伝子発現ツールと技術を駆使し、第５層細胞のgap junctionネットワークによる半球間投射の制御機構と、その破綻が個体に及ぼす影響を、gap junction機能操作ツールを用いて明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
大脳皮質の半球間投射の発達機構はマウスの第2/3層の神経細胞が持つ投射を対象に詳しく調べられ、生後１－２週の神経活動がその発達を制御することがわかっている。しかし、神経活動レベルを調節する機構はよくわかっていない。また、半球間投射は主に第2/3層と第５層の神経細胞が作るが、第５層細胞の投射は方法論の難しさから研究が進んでいない。応募者はこれまでの研究で、半球間投射を持つ第５層の神経細胞が、投射の発達時期にgap junction (GJ)で密に結合し合うネットワークを持ち(Maruoka*, Nakagawa* et al., Science 358, 610, 2017)、神経細胞間の活動レベルを均一化することを明らかにした(Nakagawa et al., Neuroscience 406, 1, 2019)。GJネットワークによる神経活動レベル調節が半球間投射の発達を制御している可能性が示唆される。そこで本研究では、「1. 第2/3層の半球間投射のGJによる制御」、「2. 第5層の半球間投射の発達過程とGJによる制御」、「3. GJ操作による投射異常が個体レベルに及ぼす影響」を明らかにする。
1.に関しては、神経活動によるヒト大脳半球間の軸索投射の制御機構の解明を目的とする、ヒトiPS細胞由来脳オルガノイド２つを軸索束で接続させて同期神経活動を解析した論文が、最近受理された（Osaki et al., Nat Commun, 15, 2945, 2024）。
2.に関しては、近い将来に研究開始する。
3.に関しては、必要となる新生児マウスからの脳活動イメージング手法の論文を投稿し最近受理された（Nakagawa-Tamagawa et al., J Vis Exp 201, 2023）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「1. 第2/3層の半球間投射のGJによる制御」に関しては、ヒトiPS細胞由来脳オルガノイド２つを軸索束で接続させると同期した複雑な神経活動が生じることを明らかにした論文を報告し（Osaki et al., Nature Communications, 15, 2945, 2024 *2024年3月受理）、ヒトの脳での半球間投射に対して貴重な示唆を得ることができた。以上のことから、おおむね順調に進んでいる。
「2. 第5層の半球間投射の発達過程とGJによる制御」に関しては、第５層細胞への子宮内エレクトロポレーション法による遺伝子導入はすでに習熟しており、第５層細胞に特異的に目的遺伝子を導入するために必要になるTlx3-Creマウスを繁殖・維持しているが、他の研究内容を重点的に進めたため、やや遅れている。
「3. GJ操作による投射異常が個体レベルに及ぼす影響」に関しては、もともと令和５年度以降に開始する予定であり、現在は実験方法の検討と準備を主に行っている。その一環で、二光子顕微鏡を用いて生きた新生児マウスから脳活動を行うイメージング手法を確立し、投稿した論文がJournal of Visualized Experiments誌に受理された（2023.11.21受理; 筆頭著者&責任著者）。以上のことから、おおむね順調に進んでいる。
以上を総合し、おおむね順調に進んでいるとみなす。
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| Strategy for Future Research Activity |
「1. 第2/3層の半球間投射のGJによる制御」に関しては、これまで使用したプラスミドが最適ではないことから、改変を加えたものを作成し使用する。予備実験で一定の結果を得ており、意義のある研究につながると期待できる。ヒトiPS細胞由来脳オルガノイドを用いた研究もさらに進める。
「2. 第5層の半球間投射の発達過程とGJによる制御」に関しては、必要なプラスミドを準備し、Tlx3-Creマウスに子宮内エレクトロポレーションで導入して、第5層の半球間投射を第2/3層と同様に解析する。1. 2.をまとめて令和６年度中に論文投稿できるよう進める。
「3. GJ操作による投射異常が個体レベルに及ぼす影響」に関しては、1.と2.の結果次第で研究内容を検討する必要があるため、引き続き検討を続け、開始できる段階に来たところで迅速に着手していく。
また、神経細胞の分散培養の実験系で、神経活動と軸索発達との関連で興味深い現象を発見したため、「4.分散培養実験系での神経活動と軸索発達との関連解析」として2024年度の新たな研究内容として実施する。
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