Elucidation of Neural Mechanisms of Mental Control Effects by Breathing Techniques

• Project/Area Number: 23K17422
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 51:Brain sciences and related fields
• Research Institution: University of Toyama
• Principal Investigator: 高雄 啓三 富山大学, 学術研究部医学系, 教授 (80420397)
• Project Period (FY): 2023-06-30 – 2028-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2027: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2026: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2025: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2024: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2023: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 呼吸 / マウス / 行動 / 自律神経

Outline of Research at the Start

本研究では、環境刺激フィードバックを利用した呼吸法の動物モデルを開発し、呼吸法の作用メカニズムを科学的な手法で研究できるものにする。さらに本モデルを活用して東洋の伝統的な精神訓練のコアとなる呼吸法による行動と脳機能制御の神経メカニズムの解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は深呼吸が心に及ぼす影響をマウスを用いた動物実験により定性・定量化し、その生理メカニズムを明らかにすることである。これまでにマウス用の深呼吸訓練装置を開発し、環境刺激フィードバックによりマウスの呼吸頻度を一定レベルまで低下させることが可能となり、深呼吸様の呼吸を誘導することができるようになった。
一方で、各種の行動異常を示す神経・精神疾患モデルマウスの呼吸がどうなっているかについても解析することは呼吸と心の関係を考える上で重要である。そこでこれまでに顕著な行動異常が報告されている複数の神経・精神疾患モデルマウスの呼吸パターンについての解析を行った。ポーソルト強制水泳テストでの無動時間の増加や、ショ糖選好性テストでのショ糖選択低下などのうつ様行動の増加が見られるマウスでは野生型マウスと比較して呼吸の高周波成分が増えており、頻呼吸の傾向がみられた。また、オープンフィールドテストでの自発活動性の増加や、社会的行動の低下、作業記憶課題での成績低下などの統合失調症様行動が見られるマウスでは野生型マウスと比較して呼吸の低周波成分が増えていたが、高周波成分も増えており、一概に頻呼吸の傾向とは言えない結果となった。詳しく解析するとゆっくりな呼吸をしていることもあるが、その時の呼気変動の振幅は野生型に比べると小さく、浅い呼吸をしている傾向があることが分かった。このように様々な行動異常を示す神経・精神疾患モデルマウスでは野生型と比較して呼吸のパターンが異なっており、呼吸の操作によって行動特性が変化することも踏まえると、呼吸と行動特性すなわち心の状態とが密接に関係していることが示唆される。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究は呼吸の操作によってマウスの行動特性が変化すること、すなわち呼吸の操作が心的活動へ影響するメカニズムを明らかにすることを目的としている。展望として精神疾患などの心の病気に対する治療、予防方法への応用も想定している。本年は行動異常を示す精神疾患モデルマウスの呼吸特性を明らかにすることができ、心の状態と呼吸の関係性について実験的にも示すことができ、今後の応用を考える上の基盤ができた。これらの結果から、概ね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

本年度は精神疾患モデルマウスが呼吸パターンに異常を示すことを明らかにした。今後は野生型マウスを用いた解析で深呼吸誘導の効果についての基礎データを集めつつ、精神疾患モデルマウスへの応用についても検討する。

Research Products

• [Journal Article] Septin 3 regulates memory and L-LTP-dependent extension of endoplasmic reticulum into spines (2025)
  • Author(s): Ageta-Ishihara N, Fukazawa Y, Arima-Yoshida F, Okuno H, Ishii Y, Takao K, Konno K, Fujishima K, Ageta H, Hioki H, Tsuchida K, Sato Y, Kengaku M, Watanabe M, Watabe AM, Manabe T, Miyakawa T, Inokuchi K, Bito H, Kinoshita M
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 44 Issue: 3 Pages: 115352-115352
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2025.115352
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Deletion of filamin A-interacting protein (FILIP) results in a weak grip strength and abnormal responses to nociceptive stimulation (2025)
  • Author(s): Yagi H.; Takao K.; Hattori S.; Minato Y.; Kuwahara-Otani S.; Maeda S.; Noguchi K.; Miyakawa T.; Sato M
  • Journal Title: Neuroscience Letters Volume: 851 Pages: 138158-138158
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2025.138158
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mice born to mothers fed a diet high in omega-6 fatty acids and low in omega-3 fatty acids during pregnancy exhibit various behavioral changes including impaired social behaviors and enhanced recognition memory (2025)
  • Author(s): Nobuyuki Sakayori, Kazuki Fujii, Masanori Katakura, Mayumi Adachi, Yumie Koshidaka, Keizo Takao, Makoto Sugita
  • Journal Title: The Journal of Nutrition Volume: 155 Issue: 3 Pages: 775-787
  • DOI: 10.1016/j.tjnut.2024.12.031
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optogenetic elevation of postsynaptic cGMP in the hippocampal dentate gyrus enhances LTP and modifies mouse behaviors (2024)
  • Author(s): Borovac J, Rai J, Valencia M, Li H, Georgiou J, Collingridge GL, Takao K, Okamoto K
  • Journal Title: Front Mol Neurosci Volume: 17 Pages: 1479360-1479360
  • DOI: 10.3389/fnmol.2024.1479360
• [Journal Article] Generation of rat offspring from ovarian oocytes by xenotransplantation (2024)
  • Author(s): Taketsuru H.; Hirayama R.; Nakatsukasa E.; Natsume R.; Takao K.; Abe M.; Sakimura K
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 14(1) Issue: 1 Pages: 20109-20109
  • DOI: 10.1038/s41598-024-71030-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Inhibiting proBDNF to mature BDNF conversion leads to ASD-like phenotypes in vivo (2024)
  • Author(s): Yang Feng、You He、Mizui Toshiyuki、Ishikawa Yasuyuki、Takao Keizo、Miyakawa Tsuyoshi、Li Xiaofei、Bai Ting、Xia Kun、Zhang Lingling、Pang Dizhou、Xu Yiran、Zhu Changlian、Kojima Masami、Lu Bai
  • Journal Title: Molecular Psychiatry Volume: 29 Issue: 11 Pages: 3462-3474
  • DOI: 10.1038/s41380-024-02595-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Maternal immunoglobulin G affects brain development of mouse offspring. (2024)
  • Author(s): Sadakata M, Fujii K, Kaneko R, Hosoya E, Sugimoto H, Kawabata-Iwakawa R, Kasamatsu T, Hongo S, Koshidaka Y, Takase A, Iijima T, Takao K, Sadakata T.
  • Journal Title: Journal of Neuroinflammation Volume: 21(1) Issue: 1 Pages: 1-20
  • DOI: 10.1186/s12974-024-03100-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Large-scale animal model study uncovers altered brain pH and lactate levels as a transdiagnostic endophenotype of neuropsychiatric disorders involving cognitive impairment (2024)
  • Author(s): Hideo Hagihara、Takao Keizo、他129名
  • Journal Title: eLife Volume: 12 Pages: 89376-89376
  • DOI: 10.7554/elife.89376
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Activation of prefrontal parvalbumin interneurons ameliorates working memory deficit even under clinically comparable antipsychotic treatment in a mouse model of schizophrenia (2023)
  • Author(s): Arime Yosefu、Saitoh Yoshito、Ishikawa Mikiko、Kamiyoshihara Chikako、Uchida Yasuo、Fujii Kazuki、Takao Keizo、Akiyama Kazufumi、Ohkawa Noriaki
  • Journal Title: Neuropsychopharmacology Volume: 49 Issue: 4 Pages: 720-730
  • DOI: 10.1038/s41386-023-01769-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Neocortical neuronal production and maturation defects in the TcMAC21 mouse model of Down syndrome (2023)
  • Author(s): Kurabayashi Nobuhiro、Fujii Kazuki、Otobe Yuta、Hiroki Shingo、Hiratsuka Masaharu、Yoshitane Hikari、Kazuki Yasuhiro、Takao Keizo
  • Journal Title: iScience Volume: 26 Issue: 12 Pages: 108379-108379
  • DOI: 10.1016/j.isci.2023.108379
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Brain-enriched guanylate kinase-associated protein, a component of the post-synaptic density protein complexes, contributes to learning and memory (2023)
  • Author(s): Katano Tayo、Konno Kohtarou、Takao Keizo、Abe Manabu、Yoshikawa Akari、Miyakawa Tsuyoshi、Sakimura Kenji、Watanabe Masahiko、Ito Seiji、Kobayashi Takuya
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 22027-22027
  • DOI: 10.1038/s41598-023-49537-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Production of marmoset eggs and embryos from xenotransplanted ovary tissues (2023)
  • Author(s): Hirayama Runa、Taketsuru Hiroaki、Nakatsukasa Ena、Natsume Rie、Saito Nae、Adachi Shuko、Kuwabara Sayaka、Miyamoto Jun、Miura Shiori、Fujisawa Nobuyoshi、Maeda Yoshitaka、Takao Keizo、Abe Manabu、Sasaoka Toshikuni、Sakimura Kenji
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 18196-18196
  • DOI: 10.1038/s41598-023-45224-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regional contributions of D-serine to Alzheimer’s disease pathology in male AppNL－G－F/NL－G－F mice. (2023)
  • Author(s): Ni Xiance、Inoue Ran、Wu Yi、Yoshida Tomoyuki、Yaku Keisuke、Nakagawa Takashi、Saito Takashi、Saido Takaomi C.、Takao Keizo、Mori Hisashi
  • Journal Title: Frontiers in Aging Neuroscience Volume: 15 Pages: 1211067-1211067
  • DOI: 10.3389/fnagi.2023.1211067
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comprehensive behavioral analyses of mice with a glycine receptor alpha 4 deficiency (2023)
  • Author(s): Darwish Mohamed、Hattori Satoko、Nishizono Hirofumi、Miyakawa Tsuyoshi、Yachie Nozomu、Takao Keizo
  • Journal Title: Molecular Brain Volume: 16 Issue: 1 Pages: 44-44
  • DOI: 10.1186/s13041-023-01033-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tubulin Polyglutamylation by TTLL1 and TTLL7 Regulate Glutamate Concentration in the Mice Brain (2023)
  • Author(s): Ping Yashuang、Ohata Kenji、Kikushima Kenji、Sakamoto Takumi、Islam Ariful、Xu Lili、Zhang Hengsen、Chen Bin、Yan Jing、Eto Fumihiro、Nakane Chiho、Takao Keizo、Miyakawa Tsuyoshi、Kabashima Katsuya、Watanabe Miho、Kahyo Tomoaki、Yao Ikuko、Fukuda Atsuo、Ikegami Koji、Konishi Yoshiyuki、Setou Mitsutoshi
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 13 Issue: 5 Pages: 784-784
  • DOI: 10.3390/biom13050784
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] PDGF receptor signal mediates the contribution of Nestin-positive cell lineage to subcutaneous fat development (2023)
  • Author(s): Takashima Yumi、Yamamoto Seiji、Okuno Noriko、Hamashima Takeru、Dang Son Tung、Tran Ngoc Dung、Okita Naruho、Miwa Fujikawa、Dang Thanh Chung、Matsuo Mina、Takao Keizo、Fujimori Toshihiko、Mori Hisashi、Tobe Kazuyuki、Noguchi Makoto、Sasahara Masakiyo
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 658 Pages: 27-35
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2023.03.052
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Chst9 Deficiency Alters Brain Glycan Composition and Affects Anxiety-like, Social Behaviour, and Fear Memory in Mice (2025)
  • Author(s): 張 凱茜, 藤井 一希, 泉川 友美, 腰高 由美恵, 安達 真由美, 柳橋 裕子, 本郷 翔子, 安川 二千穂, 吉田 知之, 黒澤 信幸, 高雄 啓三
  • Organizer: APPW2025 第130回 日本解剖学会/第102回 日本生理学会/第98回 日本薬理学会合同大会
• [Presentation] マウスの行動解析と光遺伝学を活用した神経精神疾患研究 (2024)
  • Author(s): 高雄 啓三
  • Organizer: 第47回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 妊娠時高血圧が子の自閉症様表現型を引き起こすメカニズム (2024)
  • Author(s): 若月 修二, 大野 萌馨, 高雄 啓三, 荒木 敏之
  • Organizer: 第47回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 糖鎖硫酸基転移酵素 Chst9 欠損マウスは不安様行動の増加と社会性行動の異常を示す (2024)
  • Author(s): 高雄 啓三, 張 凱茜, 腰高 由美恵, 安達 真由美, 柳橋 裕子, 本郷 翔子, 安川 二千穂, 泉川 友美, 藤井 一希
  • Organizer: 日本心理学会 第88回大会
• [Presentation] 新規ダウン症モデルマウスTcMAC21の大脳新皮質における発生異常の解析 (2024)
  • Author(s): 倉林 伸博, 藤井 一希, 乙部 優太, 廣木 進吾, 平塚 正治, 吉種 光, 香月 康宏, 高雄 啓三
  • Organizer: EURO2024 (第47回日本神経科学大会 第67回日本神経化学会大会 第46回日本生物学的精神医学会年会 第8回アジアオセアニア神経科学連合コングレス)
• [Presentation] 母乳に含まれるIgGが子の脳の発達に与える影響の解析 (2024)
  • Author(s): 定方 瑞樹, 金子 涼輔, 飯島 崇利, 高雄 啓三, 定方 哲史
  • Organizer: NEURO2024 (第47回日本神経科学大会 第67回日本神経化学会大会 第46回日本生物学的精神医学会年会 第8回アジアオセアニア神経科学連合コングレス)
• [Presentation] lncRNA TUNAR 内の非古典的 ORF 欠損マウスはプレパルス抑制の増強とうつ関連行動の増加を示す (2024)
  • Author(s): 藤井 一希, 森脇 雄介, 腰高 由美恵, 安達 真由美, 柳橋 裕子, 本郷 翔子, 相澤 康則, 高雄 啓三
  • Organizer: 第101回日本生理学会大会
• [Presentation] マーモセット卵子をマウス体内で作る ～卵巣異種移植の現状と課題～ (2024)
  • Author(s): 三浦 詩織, 平山 瑠那, 竹鶴 裕亮, 中務胞, 夏目理恵, 齊藤奈英, 足立周子, 桑原沙耶香, 宮本純, 藤澤信義, 前田宜俊, 高雄啓三, 阿部学, 崎村建司, 笹岡俊邦
  • Organizer: 第26回日本異種移植研究会
• [Presentation] 糖鎖硫酸基転移酵素 Chst9 欠損マウスは、不安様行動の増加と社会的行動の異常を示す (2024)
  • Author(s): 藤井 一希, 泉川 友美, 腰高 由美恵, 安達 真由美, 柳橋 裕子, 本郷 翔子, 吉田 沙織, 安川 二千穂, 高雄 啓三
  • Organizer: 先端モデル動物支援プラットフォーム 2023年度 成果発表会
• [Presentation] マウスへの卵巣移植を利用した新規マーモセット卵子生産法, (2024)
  • Author(s): 平山瑠那, 竹鶴裕亮, 中務胞, 夏目里恵, 齊藤奈英, 足立周子, 桑原沙耶香, 宮本純, 三浦詩織, 藤澤信義, 前田宜俊, 高雄啓三, 阿部学, 笹岡俊邦, 﨑村建司
  • Organizer: 先端モデル動物支援プラットフォーム 2023年度 成果発表会
• [Presentation] Activity- and septin-dependent extension of smooth endoplasmic reticulum into dendritic. (2023)
  • Author(s): Natsumi Ageta-Ishihara, Yugo Fukazawa, Yuichiro Ishii, Keizo Takao, Kohtarou Konno, Kazuto Fujishima, Hiroyuki Hioki, Hiroyuki Okuno, Yoshikatsu Sato, Mineko Kengaku, Masahiko Watanabe, Tsuyoshi Miyakawa, Kaoru Inokuchi, Haruhiko Bito, Makoto Kinoshita
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] The Influence of Breast Milk on Brain Development via Microglia (2023)
  • Author(s): Mizuki Sadakata, Keizo Takao, Ryosuke Kaneko, Takatoshi Iijima, Tetsushi Sadakata
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会, 2023
• [Presentation] Spatiotemporal regulation of Ptprd microexons' splicing and its role in development of behavior (2023)
  • Author(s): Ayako Imai, Hironori Izumi, Shuhei Kawase, Yuki Kitajima, Shuya Fukai, Keizo Takao, Hisashi Mori, Tomoyuki Yoshida
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会, 2023
• [Presentation] Loss of Akain1, an endogenous micropeptide that inhibits PKA localization, attenuates contextual discrimination and behavioral flexibility in mice (2023)
  • Author(s): Kazuki Fujii, Yumie Koshidaka, Mayumi Adachi, Yuko Yanagibashi, Mina Matsuo, Shoko Hongo, Hirofumi Nishizono, Ichiro Takasaki, Nobuyuki Kurosawa, Yasunori Aizawa, Keizo Takao
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] ILF3 prion-like domain regulates gene expression and fear memory under chronic stress. (2023)
  • Author(s): Akira Yamashita, Yuichi Shichino, Kazuki Fujii, Yumie Koshidaka, Mayumi Adachi, Eri Sasagawa, Mari Mito, Shinichi Nakagawa, Shintaro Iwasaki, Keizo Takao, Nobuyuki Shiina
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Differential contribution of canonical and noncanonical NLGN3 pathways to autism-associated early social development and learning/memory performances (2023)
  • Author(s): Linyu Li, Ayako Imai, Hironori Izumi, Ran Inoue, Keizo Takao, Hisashi Mori, Tomoyuki Yoshida
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Loss of Akain1, an endogenous micropeptide that inhibits PKA localization, attenuates contextual discrimination and behavioral flexibility in mice (2023)
  • Author(s): K. FUJII, Y. KOSHIDAKA, M. ADACHI, Y. YANAGIBASHI, M. MATSUO, S. HONGO, H. NISHIZONO, I. TAKASAKI, N. KUROSAWA, Y. AIZAWA, K. TAKAO
  • Organizer: 53rd Annual Meeting of Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Repeated neural activations induce long-term structural plasticity of the nucleus (2023)
  • Author(s): T. MURANO, H. HAGIHARA, K. TAKAO, K. KATOH, M. NAMIHIRA, T. MIYAKAWA
  • Organizer: 53rd Annual Meeting of Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 長鎖ノンコーディングRNA Tincrにコードされたユビキチン様タンパク欠損マウスにおける行動表現型解析 (2023)
  • Author(s): 木村 公洋、水品 純太、藤井 一希、腰高 由美恵、安達 真由美、 柳橋 裕子、本郷 翔子、相澤 康則、高雄 啓三
  • Organizer: 第70回 日本実験動物学会総会
• [Presentation] 卵巣摘出処置はC57BL6/J及びAPPノックインマウスのアルツハイマー病関連行動表現型を緩和する (2023)
  • Author(s): 藤井 一希、腰高 由美恵、安達 真由美、松尾 美奈、柳橋 裕子、 木村 公洋、斉藤 貴志、西道 隆臣、高雄啓三
  • Organizer: 第70回 日本実験動物学会総会
• [Presentation] 妊娠期における必須脂肪酸の摂取バランスが仔の行動に及ぼす影響の網羅的解析 (2023)
  • Author(s): 酒寄信幸, 藤井一希, 片倉賢紀, 高雄啓三, 杉田誠
  • Organizer: 第77回日本栄養・食糧学会大会