Reconstruction of synaptic memory within microfluidic devices.

• Project/Area Number: 22K19361
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 46:Neuroscience and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Hayashi Yasunori 京都大学, 医学研究科, 教授 (90466037)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: CaMKII / 液-液相分離 / シナプス可塑性 / 記憶固定化 / マイクロ流体デバイス

Outline of Research at the Start

1個の神経細胞当たり1万個以上のシナプスそれぞれが茸状のスパイン上に存在する。スパイン頸部は拡散障壁として機能するため、秒単位では、スパイン内の分子はスパイン毎に独立して調節されて考えてよいが、数分から数時間単位では、スパイン内外との拡散を考える必要がある。そこで本研究ではマイクロ流体デバイスを用いることで、シナプス分子の時空間ダイナミクスを加味した実験系を作成し、シナプス記憶をデバイス内で再構成することで、記憶の謎に迫ることを試みる。

Outline of Final Research Achievements

Green or red fluorescent labeled CaMKII was purified. First, red-labeled CaMKII was mixed with the C-terminus of GluN2B cells in the presence of Ca2+/calmodulin to induce LLPS. EGTA was added to prevent further activation of CaMKII, and green-labeled CaMKII was added. We found the green CaMKII is taken up by the condensate. Because CaMKII needs to be in an active conformation to be incorporated into the condensed phase, the green-labeled CaMKII must be activated when it is incorporated into the existing condensates. We are currently testing if T287A mutant can be taken up.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

この研究の成果は、神経科学と細胞生物学の基礎理解を深めると同時に、神経細胞内の情報処理や学習・記憶形成におけるカルシウムシグナル伝達経路の重要性を明らかにした。さらに、液-液相分離（LLPS）という現象が細胞内シグナル伝達に与える影響を明らかにすることで、将来的には神経変性疾患や精神疾患の理解や治療法の開発につながる可能性がある。この研究は、社会的には健康と福祉に大きな影響を与え、科学の発展に貢献するものと期待される。これによって、人々の生活の質が向上し、医学の進歩に寄与することが期待される。