長軸へ拡張した海馬神経回路解析

• Project/Area Number: 22K15230
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 46030:Function of nervous system-related
• Research Institution: Juntendo University
• Principal Investigator: 岡本 和樹 順天堂大学, 医学部, 助教 (90865205)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 海馬 / シナプス結合

Outline of Research at the Start

海馬は長く伸びた形をした脳部位であるが、従来の研究ではスライスとしての回路イメージが先行し、長い構造であることが見落とされている。本研究は、海馬長軸に伸びる軸索の興奮優位な伝達に着目し、その選択的な結合様式を電気生理学・生化学・形態学の手法を用いて多角的に精査する。そして、海馬を長い構造と見立て、得られたデータに基づく活動伝播シミュレーションで、海馬長軸投射の回路パターンの意義の解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

海馬の神経回路研究は、スライスとしての回路イメージが先行し、本来長い構造であることは見落とされている。しかし、海馬には長軸方向へ長く伸びる軸索が存在する。これは解剖学上の発見にとどまっており、長らく生理的な伝達のパターンや機能は未解明であった。本研究は、海馬長軸に伸びる投射が興奮性優位な伝達であることに着目している。すなわち長軸方向に沿った投射は遠くなるほどに興奮性を強める傾向にある。その背景には抑制を担うGABA細胞とのシナプス結合に選択性があり、海馬長軸方向の遠位に伸びる軸索ほどGABA細胞と結合していないという仮説を立てている。そして、この結合様式を電気生理学・生化学・形態学の手法を用いて多角的に精査すること、また、海馬を長い構造と見立て、得られたデータに基づくシミュレーションで海馬長軸投射の回路パターンの意義の解明を目的としている。
本年度は、これまでに記録した電気生理データに基づき、神経回路の違いが海馬長軸においてどのような影響を及ぼすかをシミュレーションした。Hodgkin-Huxleyモデルを用いて、フィードフォワード抑制の強度を長軸に沿って変化させたところ、近位においてはポストシナプス側の膜電位に高い周波数帯域に強度変化が見られた。以上のことから、海馬の長軸方向の投射は、長軸の距離が延びるほどフィードフォワード抑制の強度を減らすことで、近位と遠位で異なる情報を伝達させていることが示唆された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

長軸海馬のシミュレーションに進展があった。当初は長軸方向への発火伝播をモデリングする計画だったが、処理が複雑になって滞っていた。今年度はこの計画を見直し、ポスト側の膜電位変動をシミュレートするというシンプルなモデルに当てはめたことで、よりその意義が明確になった。

Strategy for Future Research Activity

Hodgkin-Huxleyモデルを用いたが、発火閾値下膜電位のシミュレートの点で不自然な挙動があった。そこで、発火を含めない膜電位挙動でモデルを再検証する。その後、論文投稿を進める。

Research Products

• [Journal Article] Preferential arborization of dendrites and axons of parvalbumin- and somatostatin-positive GABAergic neurons within subregions of the mouse claustrum (2023)
  • Author(s): Takahashi Megumu、Kobayashi Tomoyo、Mizuma Haruhi、Yamauchi Kenta、Okamoto Shinichiro、Okamoto Kazuki、Ishida Yoko、Koike Masato、Watanabe Masahiko、Isa Tadashi、Hioki Hiroyuki
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: 190 Pages: 92-106
  • DOI: 10.1016/j.neures.2022.11.008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Specific AAV2/PHP.eB-mediated gene transduction of CA2 pyramidal cells via injection into the lateral ventricle (2023)
  • Author(s): Okamoto Kazuki、Kamikubo Yuji、Yamauchi Kenta、Okamoto Shinichiro、Takahashi Megumu、Ishida Yoko、Koike Masato、Ikegaya Yuji、Sakurai Takashi、Hioki Hiroyuki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 323-323
  • DOI: 10.1038/s41598-022-27372-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Cholinergic axonal dominance in the cerebral hemisphere and its relation to hand switching (2024)
  • Author(s): 岡本和樹、田中康裕、加藤成樹、小林和人、小池正人、日置寛之
  • Organizer: 第129回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Presentation] Intra-hemispheric modulation of cholinergic system underlying motor skill improvement (2023)
  • Author(s): 岡本和樹、田中康裕、加藤成樹、小林和人、小池正人、日置寛之
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] 海馬シャープウェーブリップルと関連して発火する海馬神経細胞の遺伝子発現解析 (2023)
  • Author(s): 柳下晴也、岡本和樹、郷康広、池谷裕二、佐々木拓哉
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] 神経細胞の 発火特性と関連して発現する遺伝子の探索 (2023)
  • Author(s): 柳下晴也 、岡本和樹、郷康広、有村奈利子、池谷裕二、佐々木拓哉
  • Organizer: 海馬と高次脳機能学会
• [Presentation] 大脳半球独立的なアセチルコリン投射により利き手矯正が成立する (2023)
  • Author(s): 岡本和樹、田中康裕、加藤成樹、小林和人、小池正人、日置寛之
  • Organizer: 海馬と高次脳機能学会
• [Presentation] 大脳半球のアセチルコリン投射と利き手矯正 (2023)
  • Author(s): 岡本和樹、田中康裕、加藤成樹、小林和人、小池正人、日置寛之
  • Organizer: 生理学研究所研究会『大脳皮質を中心とした神経回路：構造と機能、その作動原理』
• [Presentation] Three-dimensional structural analysis of GABAergic neurons in the mouse claustrum using tissue-clearing technology (2023)
  • Author(s): Hiroyuki Hioki, Megumu Takahashi, Tomoyo Kobayashi, Haruhi Mizuma, Kenta Yamauchi, Shinichiro Okamoto, Kazuki Okamoto
  • Organizer: 10th Asia Pacific International Congress of Anatomists
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cholinergic and Non-Cholinergic Neurons in Mouse Basal Forebrain Display Distinct Projection Patterns to Cortical Layers (2023)
  • Author(s): Kazuki Okamoto, Hiromichi Arima, Megumu Takahashi, Kenta Yamauchi, Masato Koike, Hiroyuki Hioki
  • Organizer: 10th Asia Pacific International Congress of Anatomists
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 前脳基底部のコリン作動性およびGABA作動性ニューロン軸索の投射先解析 (2023)
  • Author(s): 有馬洋道、岡本和樹、高橋慧、山内健太、田中良弥、小池正人、日置寛之
  • Organizer: 第128回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Presentation] Preferential arborization of dendrites and axons of parvalbumin- and somatostatin-positive GABAergic neurons within subregions of the mouse claustrum (2023)
  • Author(s): 高橋慧、小林朋世、水間温日、岡本慎一郎、山内健太、岡本和樹、小池正人、渡辺雅彦、伊佐正、日置寛之
  • Organizer: 第128回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Presentation] Morphological analysis of GABAergic neurons in the mouse claustrum (2022)
  • Author(s): 高橋慧、小林朋世、岡本慎一郎、山内健太、岡本和樹、小池正人、伊佐正、日置寛之
  • Organizer: 第45回日本神経科学大会
• [Presentation] Gene expression profiles in neurons recorded by in vivo extracellular recordings (2022)
  • Author(s): 柳下晴也、岡本和樹、郷康広、池谷裕二、佐々木拓哉
  • Organizer: 第45回日本神経科学大会
• [Presentation] Single-cell reconstruction of cholinergic projection from nucleus basalis of Meynert (2022)
  • Author(s): 有馬洋道、岡本和樹、高橋慧、小池正人、日置寛之
  • Organizer: 第45回日本神経科学大会
• [Presentation] Longitudinal excitation and lamellar inhibition in the hippocampus (2022)
  • Author(s): 岡本和樹、小池正人、日置寛之
  • Organizer: 第45回日本神経科学大会
• [Presentation] マウス前障におけるGABA作動性神経細胞の形態学的解析 (2022)
  • Author(s): 髙橋慧、小林朋世、水間温日、岡本慎一郎、山内健太、岡本和樹、小池正人、渡辺雅彦、伊佐正、日置寛之
  • Organizer: 日本解剖学会第110回関東支部学術集会