| Project/Area Number |
23K23984
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| Project/Area Number (Other) |
22H02721 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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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 | Kyoto University |
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Principal Investigator |
川口 真也 京都大学, 理学研究科, 教授 (00378530)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
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| Keywords | シナプス可塑性 / 小脳 / 可視化 / 学習 / 神経回路 / シナプス / 可塑性 / 蛍光イメージング / プルキンエ細胞 / 軸索 / 膜電位 / イメージング / 長期抑圧 |
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| Outline of Research at the Start |
動物の学習を実現する神経回路メカニズムを理解するために、学習の細胞基盤であるシナプス可塑性を可視化する蛍光プローブと細胞膜電位の蛍光イメージングを組み合わせて動物個体に適用する。そして、学習成立時にシナプス可塑性がいかに個々の細胞の情報処理を変化させて神経回路を作り変えるかを究明する。特に本研究では、独自の光技術と最高難度のパッチクランプ技術を駆使し、個々のシナプスから細胞レベル・複数細胞群に至るまで広範に神経活動と可塑性の時空間パターンを解析し、動物個体でシナプスの可塑性が記憶・学習へ至る過程を包括的に明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、動物の学習を実現する神経回路メカニズムを理解するために、学習の細胞基盤であるシナプス可塑性を可視化する蛍光プローブと細胞膜電位の蛍光イメージングを組み合わせて動物個体に適用し、学習成立時にシナプス可塑性がいかに個々の細胞の情報処理を変化させて神経回路を作り変えるかを究明することを目指している。
本年度の研究から、動物の運動学習の基盤として着目されてきたシナプス可塑性である小脳長期抑圧を蛍光可視化するLTDプローブの動態について、パッチクランプ記録とCa2+蛍光イメージングとを併用した定量的な実験を実施した。その結果、LTD誘導に足る強力なCa2+濃度上昇が刺激部位から周囲に広がればLTD標識される空間も広がること、ただしその周辺で起こる程度の弱いCa2+上昇によってのみではLTPが誘導されないこと、などCa2+とLTDの関係性を強度と空間パターンで紐づけることが出来た。さらにその研究過程で予期せず、一過的なグルタミン酸刺激に応じて、Ca2+上昇自体が局所かつ持続的に生じるという意外性の高い現象を見出すことに成功し、その分子メカニズムについても知見が集積しつつある。また、膜電位イメージングによる樹状突起の情報演算プロセスの解析から、小脳プルキンエ細胞と海馬錐体細胞がそれぞれ有する特徴的な樹状突起の分枝パターンそのものが、突起での電位変化の広がりを強く規定することを見出した。
動物個体での運動学習を定量評価する行動実験系の瞬目条件反射付けに関して、学習成立に多くの訓練実施が好ましいという従来の考えを修正する可能性のある、訓練の量・密度と学習効率に関して意外性の高い関係性を見出し、その回路メカニズムに迫るデータ収集を進めている。
これらの研究成果に関して、精力的に学会発表等を行い、一部はプレプリントで公表し、複数論文にまとめ上げる準備を進めている。
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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
昨年度までに実施を目指した、小脳プルキンエ細胞でのLTDの蛍光標識を高S/N比で確立することに成功しており、マウス個体におけるプローブ発現にも上手く挑戦が進んでいる。
さらに、予想外にユニークな可塑性と関連したCa2+シグナルの局所・長期的な発動を蛍光で捉えることにも成功している。それに加えて、動物の学習を定量評価するための行動実験パラダイムにおいても、系の確立と基本的性質を解析する中で、学習機構そのものに関する予想外の訓練と学習効率の関係性を導出することにも成功しており、当初構想を超えた幅広く研究が展開している。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初目的である、運動学習基盤となる小脳でのシナプス可塑性のLTD蛍光標識について、TET-offシステムとAAVを組み合わせたプルキンエ細胞特異的な蛍光プローブの導入に成功しており、それを駆使して、ユニークな学習機構の提示に成功しつつある瞬目反射条件付けの成立とLTD標識部位との関係性を蛍光可視化により解析することを主たる研究の方向性として強く推進する。
また、研究過程で予想外に見出した神経細胞における複数の情報処理の柔軟な仕組みや、細胞内Ca2+濃度上昇自体が持続的シグナルになる現象など、それぞれ分子メカニズムや生理的意義など解析を更にすすめて理解深化をはかり、それぞれユニークな知見を論文公刊につなげるだけのデータの質・量を確保することを意識的に実施し、最終年度での研究締めくくりをを成果発表の形で結実させる。
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