精神病態脳における大規模2光子解析法の開発

• Project Area: Unraveling micro-endophenotypes of psychiatric disorders at the molecular, cellular and circuit levels.
• Project/Area Number: 15H01282
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: University of Yamanashi
• Principal Investigator: 喜多村 和郎 山梨大学, 総合研究部, 教授 (60423159)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2016: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2015: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: ２光子イメージング / シナプス

Outline of Annual Research Achievements

高速３次元で神経細胞およびシナプスの活動を捉えることのできる２光子イメージング法の改良を行った。これまでのピエゾを用いた焦点走査に代えて、超音波変調型GRINレンズを用いることで、さらに高速（＞100kHz）な焦点走査を可能にした。これによって、縦方向に100umに伸びた点拡がり関数をもつ２光子励起を実現し、幅200um、高さ200um、深さ100umの体積内に存在する、神経細胞およびシナプスの活動を捉えることが可能となった。一方、広範囲における神経活動観察のために、低倍の対物レンズを導入し、1mm四方の範囲を観察可能にした。さらに、高速走査に伴って低下するシグナル強度を補償するために、高輝度かつ高感度な新規カルシウムプローブ分子を用いることで、体積内における単一スパインの反応を高いS/N比で観察することが可能となった。これにより、覚醒状態におけるマウス体性感覚野第２／３層錐体細胞の樹状突起において、自発活動および感覚刺激に対する応答が、近傍に位置するスパインで同期して入力することを明らかにした。また、少数のスパインへの入力によって、樹状突起において顕著にカルシウム上昇が起こる例が観察されたが、これらは樹状突起局所における情報処理過程を示していると考えられる。このように、開発した顕微鏡およびカルシウムプローブを用いることで、疾患モデル動物の神経・シナプス活動を高速かつ大規模に観察しその病態解明に貢献できることが期待される。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Dendritic spikes in sensory perception. Frontiers in Cellular Neuroscience. (2017)
  • Author(s): Manita S, Miyakawa H, Kitamura K, Murayama M
  • Journal Title: Frontiers in Cellular Neuroscience Volume: 11 Pages: 29-29
  • DOI: 10.3389/fncel.2017.00029
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] A novel method for assessment of reaching and grasping movements in head-fixed mice. (2017)
  • Author(s): Manita S, Ikezoe K, Kitamura K
  • Organizer: 第94回日本生理学大会
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松（静岡県・浜松市）
  • Year and Date: 2017-03-28
• [Presentation] Representation of cerebellar climbing fiber signals during goal-directed behavior and learning. (2016)
  • Author(s): Kitamura K
  • Organizer: NIPS International Workshop “Toward elucidation of memory engram”
  • Place of Presentation: 生理学研究所（愛知県・岡崎市）
  • Year and Date: 2016-12-07
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Functional differences in climbing fiber inputs to distinct cerebellar stripes during goal-directed behavior. (2016)
  • Author(s): Tsutsumi S, Hidaka N, Isomura Y, Matsuzaki M, Sakimura K, Kano M, Kitamura K
  • Organizer: Neuroscience 2016
  • Place of Presentation: San Diego（USA）
  • Year and Date: 2016-11-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 2光子イメージングによる小脳回路研究:発達から運動機能まで (2016)
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Organizer: 第63回中部生理学会
  • Place of Presentation: 岡崎カンファレンスセンター（愛知県・岡崎市）
  • Year and Date: 2016-11-04
  • Invited
• [Presentation] 脳機能の2光子イメージング (2016)
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Organizer: BioOpto Japan 2016
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2016-09-15
  • Invited
• [Presentation] Hyperacuity Bayesian technique to enhance temporal resolution of two-photon recording of complex spikes of cerebellar Purkinje cells. (2016)
  • Author(s): Hoang HT, Yamashita O, Tokuda IT, Kitamura K, Sato M, Kawato M, Toyama K
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2016-07-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cerebellar lobules receive spatiotemporally specific inputs from the cerebral cortex. (2016)
  • Author(s): Choo MJ, Hira R, Matsuzaki M, Kano M, Kitamura K
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2016-07-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Functional organization of cerebellar modules during skilled behavior (2016)
  • Author(s): Kazuo Kitamura
  • Organizer: 第９３回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-22
• [Presentation] Optogenetic mapping of cerebra-cerebellar communication loop in mice (2016)
  • Author(s): Myeong Jeong Choo, Riichiro Hira, Masanori Matsuzaki, Masanobu Kano, Kazuo Kitamura
  • Organizer: 第９３回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-22
• [Presentation] Differential learning-related changes in climbing fiber inputs to cerebellar stripes (2016)
  • Author(s): Shinichiro Tsutsumi, Naoki Hidaka, Yoshikazu Isomura, Masanori Matsuzaki, Kenji Sakimura, Masanobu Kano, Kazuo Kitamura
  • Organizer: 第９３回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-22
• [Presentation] Rational design of ultrafast, high-affinity red calcium indicator for monitoring neuronal activity (2015)
  • Author(s): M. INOUE, A. TAKEUCHI, S.-I. HORIGANE, H. FUJII, S. KAMIJO, S. TAKEMOTO-KIMURA, M. OHKURA, K. GENGYO-ANDO, M. KANO, J. NAKAI, K. KITAMURA, H. BITO
  • Organizer: Neuroscience 2015
  • Place of Presentation: McCormick Place Convention Center (Chicago, USA)
  • Year and Date: 2015-10-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In vivo光学イメージングと電気生理学の融合 (2015)
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Organizer: 第３８回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28
  • Invited
• [Presentation] Identification of complex spikes in two-photon recording of Purkinje cell calcium responses by machine learning and ROC analysis of the performance (2015)
  • Author(s): Huu Thien Hoang, Shinichiro Tsutsumi, Miki Hashizume, Okito Yamashita, Isao T. Tokuda, Masa-Aki Sato, Mitsuo Kawato, Masanobu Kano, Kazuo Kitamura, Keisuke Toyama
  • Organizer: 第３８回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28
• [Presentation] Rational design of a novel high-affinity, ultrafast, red calcium indicator R-CaMP2 (2015)
  • Author(s): Masatoshi Inoue, Atsuya Takeuchi, Shin-Ichiro Horigane, Masamichi Ohkura, Keiko Gengyo-Ando, Hajime Fujii, Satoshi Kamijo, Sayaka Takemoto-Kimura, Masanobu Kano, Junichi Nakai, Kazuo Kitamura, Haruhiko Bito
  • Organizer: 第３８回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28