マクロからミクロに至る多階層構造情報を束ねる観察・解析技術の基盤創成

• Project Area: Resonance Biology for Innovative Bioimaging
• Project/Area Number: 16H01426
• 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: Juntendo University (2017); Kyoto University (2016)
• Principal Investigator: 日置 寛之 順天堂大学, 医学部, 准教授 (00402850)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000); Fiscal Year 2017: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2016: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: 透明化 / 神経 / ズームイン / 光学顕微鏡 / 電子顕微鏡

Outline of Annual Research Achievements

透明化技術は三次元構造の高速な解析を実現するものであり、神経ネットワーク構造解明のブレイクスルーにつながると期待される。しかし、透明化された脳組織をいかに活用して神経回路構造を解析するかという『真の応用』はまだ始まったばかりである。本研究課題では透明化技術を軸に、『マクロ―メゾ―ミクロ』の各階層を有機的に結びつけ、神経ネットワーク構造を効率的に解析する方法論を確立することを目的としている。
本領域で展開されている、色素、光学顕微鏡、イメージングソフトウェア、サンプル調製を包括する技術開発を参考にしながら、平成29年度は以下の課題に取り組んだ。
(1) 大脳新皮質運動野から脊髄にまで軸索を展開する皮質脊髄路（CST）ニューロンを効率的に標識するため、順行性もしくは逆行性標識を試みた。順行性標識については、申請者らが開発した、神経細胞特異的で高発現を可能にする「AAV SynTetOff（Sohn et al., 2017）」をもとに、種々の膜移行シグナルを検討し、候補を絞ることができた。また、逆行性標識については、脂溶性カルボシアニン色素のアプライ法などを検討し、成体標本でも再現性良く標識する手法を定めた。
(2) 本領域で開発されている新規蛍光・発光プローブを、上記「AAV SynTetOff」に搭載して検討を行った。例えば平成29年度は、宮脇敦史（領域代表）らが開発した発光プローブを搭載し、その有用性を示すことができた（Iwano et al., 2018）。
(3) 透明化ステップの改変を行い、時間の短縮だけで無く、膨張・収縮を最小限に抑えるプロトコールを開発した。
(4) 光学顕微鏡観察から電子顕微鏡観察へとズームインする際に必要な、部位マーキング手法の開発を進めた。化学的・物理的マーキング法で有望な候補が複数あり、今後はさらなる検討を続けていく必要がある。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Layola University/New York Medical Center(米国)
• [Int'l Joint Research] Georg-August-University(Germany)
• [Int'l Joint Research] University of Oxford(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Debrecen(Hungary)
• [Int'l Joint Research] IBioBA(Argentina)
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research] Loyola University/New York University Medical Center(米国)
• [Int'l Joint Research] Georg-August-University(Germany)
• [Int'l Joint Research] University of Oxford(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Debrecen(Hungary)
• [Int'l Joint Research] IBioBA(Argentina)
• [Int'l Joint Research]
• [Journal Article] Hippocampal ripples down-regulate synapses (2018)
  • Author(s): Norimoto Hiroaki、Makino Kenichi、Gao Mengxuan、Shikano Yu、Okamoto Kazuki、Ishikawa Tomoe、Sasaki Takuya、Hioki Hiroyuki、Fujisawa Shigeyoshi、Ikegaya Yuji
  • Journal Title: Science Volume: 359 Issue: 6383 Pages: 1524-1527
  • DOI: 10.1126/science.aao0702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-cell bioluminescence imaging of deep tissue in freely moving animals. (2018)
  • Author(s): Iwano S, Sugiyama M, Hama H, Watakabe A, Hasegawa N, Kuchimaru T, Tanaka KZ, Takahashi M, Ishida Y, Hata J, Shimozono S, Namiki K, Fukano T, Kiyama M, Okano H, Kizaka-Kondoh S, McHugh TJ, Yamamori T, Hioki H, Maki S, Miyawaki A.
  • Journal Title: Science Volume: 359 Issue: 6378 Pages: 935-939
  • DOI: 10.1126/science.aaq1067
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Parvalbumin-producing striatal interneurons receive excitatory inputs onto proximal dendrites from the motor thalamus in male mice (2018)
  • Author(s): Nakano Yasutake、Karube Fuyuki、Hirai Yasuharu、Kobayashi Kenta、Hioki Hiroyuki、Okamoto Shinichiro、Kameda Hiroshi、Fujiyama Fumino
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Research Volume: in press Issue: 7 Pages: 1186-1207
  • DOI: 10.1002/jnr.24214
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 増大特集 細胞多様性解明に資する光技術─見て,動かす Ⅰ.見る,観る,視る マクロレベルからナノレベルまでの連続イメージング (2017)
  • Author(s): 日置 寛之、濱 裕、孫 在隣、黄 晶媛、並木 香奈、星田 哲志、黒川 裕、宮脇 敦史
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 68 Issue: 5 Pages: 416-417
  • DOI: 10.11477/mf.2425200672
  • ISSN: 0370-9531, 1883-5503
  • Year and Date: 2017-10-15
• [Journal Article] Shaping somatosensory responses in awake rats: cortical modulation of thalamic neurons (2017)
  • Author(s): Hirai Daichi、Nakamura Kouichi C.、Shibata Ken-ichi、Tanaka Takuma、Hioki Hiroyuki、Kaneko Takeshi、Furuta Takahiro
  • Journal Title: Brain Structure and Function Volume: 223 Issue: 2 Pages: 851-872
  • DOI: 10.1007/s00429-017-1522-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dorsal and ventral parts of thalamic nucleus submedius project to different areas of rat orbitofrontal cortex: A single neuron-tracing study using virus vectors. (2017)
  • Author(s): Kuramoto E, Iwai H, Yamanaka A, Ohno S, Seki H, Tanaka YR, Furuta T, Hioki H, Goto T
  • Journal Title: J Comp Neurol. Volume: 525 Issue: 18 Pages: 3821-3839
  • DOI: 10.1002/cne.24306
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Parvalbumin-expressing interneurons can act solo while somatostatin-expressing interneurons act in chorus in most cases on cortical pyramidal cells (2017)
  • Author(s): Safari Mir-Shahram、Mirnajafi-Zadeh Javad、Hioki Hiroyuki、Tsumoto Tadaharu
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Issue: 1 Pages: 12764-12764
  • DOI: 10.1038/s41598-017-12958-4
  • NAID: 120006364103
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Application of tissue-clearing methods for dissecting brain structure (2017)
  • Author(s): 日置寛之、濱裕、孫在隣、黄晶媛、並木香奈、星田哲志、黒川裕、宮脇敦史
  • Journal Title: Folia Pharmacologica Japonica Volume: 149 Issue: 4 Pages: 173-179
  • DOI: 10.1254/fpj.149.173
  • NAID: 130005548847
  • ISSN: 0015-5691, 1347-8397
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Single Vector Platform for High-Level Gene Transduction of Central Neurons: Adeno-Associated Virus Vector Equipped with the Tet-Off System. (2017)
  • Author(s): Sohn J, Takahashi M, Okamoto S, Ishida Y, Furuta T, Hioki H.
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 12 Issue: 1 Pages: e0169611-e0169611
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0169611
  • NAID: 120005954461
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Structural Basis for Cholinergic Regulation of Neural Circuits in the Mouse Olfactory Bulb. (2017)
  • Author(s): Hamamoto H, Kiyokage E, Sohn J, Hioki H, Harada T, Toida K.
  • Journal Title: J Comp Neurol Volume: 525 Issue: 3 Pages: 574-591
  • DOI: 10.1002/cne.24088
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Individual Mediodorsal Thalamic Neurons Project to Multiple Areas of the Rat Prefrontal Cortex: A Single Neuron-Tracing Study Using Virus Vectors. (2017)
  • Author(s): Kuramoto E, Pan SX, Furuta T, Tanaka YR, Iwai H, Yamanaka A, Ohno S, Kaneko T, Goto T, Hioki H.
  • Journal Title: J Comp Neurol Volume: 525 Issue: 1 Pages: 166-185
  • DOI: 10.1002/cne.24054
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 組織の透明化技術 (2017)
  • Author(s): 濱裕、日置寛之、並木香奈、星田哲志、黒川裕、宮脇敦史
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 68 Pages: 85-93
• [Journal Article] Differential Inputs to the Perisomatic and Distal-Dendritic Compartments of VIP-Positive Neurons in Layer 2/3 of the Mouse Barrel Cortex. (2016)
  • Author(s): Sohn J, Okamoto S, Kataoka N, Kaneko T, Nakamura K, Hioki H.
  • Journal Title: Front Neuroanat Volume: 10 Pages: 124-124
  • DOI: 10.3389/fnana.2016.00124
  • NAID: 120005997790
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] マウス第一次運動野パルブアルブミン陽性GABA細胞に対する興奮性・抑制性入力の定量的解析 (2018)
  • Author(s): 日置寛之、孫在隣、岡本慎一郎、亀田浩司
  • Organizer: 第123回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Presentation] Projection patterns of corticofugal neurons associated with vibrissa movement. (2018)
  • Author(s): 古田貴寛、柴田憲一、田中琢真、日置寛之
  • Organizer: 第123回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Presentation] マクロレベルからナノレベルまでの連続イメージング (2018)
  • Author(s): 日置寛之
  • Organizer: 第43回レーザ顕微鏡研究会
  • Invited
• [Presentation] Dorsal and ventral parts of the rat thalamic submedial nucleus provide two independent inputs to different areas of orbital cortex. (2017)
  • Author(s): Kuramoto E, Iwai H, Yamanaka A, Seki H, Ohno S, Sendo R, Koyanagi K, Toyodome S, Furuta T, Hioki H, Goto T.
  • Organizer: 第122回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Place of Presentation: 長崎
  • Year and Date: 2017-03-28
• [Presentation] A Single Vector Platform for High-Level Gene Transduction of Central Neurons: AAV Vector Equipped with the Tet-Off System. (2017)
  • Author(s): 日置寛之、孫在隣、高橋慧、岡本慎一郎、石田葉子、古田貴寛
  • Organizer: 第122回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Place of Presentation: 長崎
  • Year and Date: 2017-03-28
• [Presentation] Efficient Gene Delivery into Neuronal Cells using Adeno-Associated Virus Vector Equipped with the Tet-Off System. (2017)
  • Author(s): Hioki H.
  • Organizer: The 1st ABiS Symposium -Towards the Future of Advanced Bioimaging for Life Sciences-
  • Place of Presentation: Okazaki
  • Year and Date: 2017-02-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Tet-Off搭載アデノ随伴ウイルスベクターを用いた神経細胞への効率的遺伝子導入 (2017)
  • Author(s): 石田葉子、孫在隣、高橋慧、岡本慎一郎、古田貴寛、日置寛之
  • Organizer: 第40回日本分子生物学会
• [Presentation] Efficient Gene Delivery into Neuronal Cells using Adeno-Associated Virus Vector Equipped with the Tet-Off System. (2017)
  • Author(s): 日置寛之、孫在隣、高橋慧、岡本慎一郎、石田葉子、古田貴寛
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] Hippocampal ripples induce synaptic downscaling and restore memory capacity. (2017)
  • Author(s): 乗本裕明、牧野健一、Mengxuan Gao、日置寛之、藤澤茂義 、池谷裕二
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] Viral tracing with rabies virus vector identifies different disynaptic inputs to the hippocampal subfields along the dorsoventral axis in the rat. (2017)
  • Author(s): 大原慎也、石井宏憲、日置寛之、筒井健一郎、、Menno P Witter、飯島敏夫
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] Grand design of the neocortex (2017)
  • Author(s): Hiroyuki Hioki
  • Organizer: The 44th Seminar on RIKEN Center for Advanced Photonics
  • Invited
• [Presentation] 大脳新皮質のグランドデザインを読み解く ~解析例と技術開発~ (2017)
  • Author(s): 日置寛之
  • Organizer: 第69回日本細胞生物学会大会
  • Invited
• [Presentation] A Single Vector Platform for High-Level Gene Transduction of Central Neurons: Adeno-Associated Virus Vector Equipped with the Tet-Off System. (2016)
  • Author(s): Hioki H, Sohn J, Takahashi M, Okamoto S, Ishida Y, Furuta T.
  • Organizer: The 7th International Neural Microcircuit Conference
  • Place of Presentation: Okazaki
  • Year and Date: 2016-12-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Differential Inputs to the Prismatic and Distal-Dendritic Compartments of VIP-Positive Neurons in Layer 2/3 of the Mouse Barrel Cortex. (2016)
  • Author(s): Sohn J, Okamoto S, Kataoka N, Kaneko T, Nakamura K, Hioki H.
  • Organizer: The 7th International Neural Microcircuit Conference
  • Place of Presentation: Okazaki
  • Year and Date: 2016-12-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大脳新皮質GABA細胞が構成する特異的ネットワーク構造 (2016)
  • Author(s): 日置寛之
  • Organizer: 第57回日本組織細胞化学会総会・学術集会
  • Place of Presentation: 三鷹
  • Year and Date: 2016-09-03
  • Invited
• [Presentation] Cholecystokinin- and/or vasoactive intestinal polypeptide-positive neurons preferentially innervate the somatic compartment of parvalbumin-expressing neurons in the mouse primary somatosensory cortex. (2016)
  • Author(s): 日置寛之、孫在隣、中村悠、岡本 慎一郎、髙橋慧、亀田浩司
  • Organizer: 第39回日本神経科学学会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2016-07-20
• [Presentation] Two types of orbitofrontal cortical projection from the rat submedial thalamic nucleus: Possible function in descending pain modulation. (2016)
  • Author(s): 日置寛之、孫在隣、中村悠、岡本 慎一郎、髙橋慧、亀田浩司
  • Organizer: 第39回日本神経科学学会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2016-07-20
• [Presentation] Neocortical GABAergic malfunction underlying ASD-like social deficits. (2016)
  • Author(s): Kazuki Okamoto, Chiaki Kobayashi, Natsuko Hitora-Imamura, Hiroyuki Hioki, Yuji Ikegaya
  • Organizer: The 10th FENS FORUM OF NEUROSCIENCE
  • Place of Presentation: Copenhagen
  • Year and Date: 2016-07-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Basic architecture of neocortical circuits (2016)
  • Author(s): Hioki H.
  • Organizer: LEICA MEETS SCIENCE
  • Place of Presentation: Mannheim
  • Year and Date: 2016-06-14
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 大脳新皮質のグランドデザイン解読を目指して (2016)
  • Author(s): 日置寛之
  • Organizer: 次世代脳プロジェクト冬のシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
  • Invited
• [Presentation] 大脳新皮質のグランドデザインを読み解く～解析例と技術開発～ (2016)
  • Author(s): 日置寛之
  • Organizer: 第39回日本分子生物学会（イブニングフォーラム）
  • Place of Presentation: 横浜
  • Invited
• [Remarks] 研究室webページ
  • URL: http://www.juntendo.ac.jp/graduate/laboratory/labo/shinkei_kozo/k2.html
• [Remarks] 研究室webページ
  • URL: http://www.mbs.med.kyoto-u.ac.jp