qAIM-MRI による大脳皮質-基底核-視床ループの神経回路シフト解析法の確立

• Project Area: Mechanisms underlying the functional shift of brain neural circuitry for behavioral adaptation
• Project/Area Number: 17H05543
• 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: Osaka University (2018); Tohoku University (2017)
• Principal Investigator: 小山内 実 大阪大学, 医学系研究科, 教授 (90286419)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2018: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2017: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 活動依存性マンガン造影 MRI / カルシウムイメージング / 大脳基底核 / パーキンソン病 / 疼痛 / 脳・神経 / 生理学 / 神経科学 / 脳機能イメージング / 磁気共鳴イメージング / MRI / イメージング / モデル動物 / 機能イメージング

Outline of Annual Research Achievements

脳の神経回路は、学習あるいは疾患の発症などにより、その状態がダイナミックにシフト することが知られている。この神経回路の機能シフトが脳のどの領野でどの程度起こっているのかを捉えるためには全脳の活動を定量的に計測する必要がある。そこで本研究では、定量的活動依存性 Mn2+ 造影 MRI (qAIM-MRI) を種々の疾患モデル動物における神経回路シフト解析に適用しうるよう改良を行い、新たな神経回路シフト解析法の開発を行うと共に、in vitro イメージングにより局所神経回路における神経回路シフト解析の基盤を確立するために、以下の研究を行った。
1. 脳内マンガン (Mn2+) 動態の計測を行い、定量的活動依存性マンガン造影 MRI (qAIM-MRI) による神経活動計測法を最適化した。
2. 線条体直接路ニューロンに発現している D1 ドーパミン受容体 (D1 受容体) のコンディショナルノックダウンマウス (D1R-KD マウス) を用い、D1 受容体欠失が引き起こす神経回路シフトを解析するために、qAIM-MRI による全脳神経活動計測及び種々の運動能力試験及びを行った。その結果、運動能力の低下と相関した脳内の複数の領域で神経活動の異常が見いだされた。
3. qAIM-MRI による慢性疼痛による神経回路シフトを可視化することに成功した。
4. 「in vitro イメージングによる機能シフト発現メカニズムの解明」の基盤を確立するために、急性脳スライス標本を用いて、線条体投射ニューロンである直接路ニューロンあるいは間接路ニューロン特異的に蛍光タンパク質が発現しているマウスを用い、カルシウムイメージング法により直接路ニューロン、間接路ニューロンの入出力特性を詳細に検討した。その結果、直接路ニューロンと間接路ニューロンとでは、発火特性の入力周波数依存性が異なることが分かった。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ハーバード大学医学部(米国)
• [Journal Article] Reduced expression of Na+ /Ca2+ exchangers is associated with cognitive deficits seen in Alzheimer's disease model mice (2018)
  • Author(s): Moriguchi S, Kita S, Fukaya M, Osanai M, Inagaki R, Sasaki Y, Izumi H, Horie K, Takeda J, Saito T, Sakagami H, Saido TC, Iwamoto T, Fukunaga K
  • Journal Title: Neuropharmacology Volume: 131 Pages: 291-303
  • DOI: 10.1016/j.neuropharm.2017.12.037
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gelatin-Polyaniline Composite Nanofibers Enhanced Excitation?Contraction Coupling System Maturation in Myotubes (2017)
  • Author(s): Ostrovidov S, Ebrahimi M, Bae H, Nguyen HK, Salehi S, Kim SB, Kumatani A, Matsue T, Shi X, Nakajima K, Hidema S, Osanai M, Khademhosseini A
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 9 Issue: 49 Pages: 42444-42458
  • DOI: 10.1021/acsami.7b03979
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 線条体ニューロンの入出力特性のイメージング解析 (2017)
  • Author(s): 笹川 正人, 菊田 里美, 本間 経康, 小林 和人, 小山内 実
  • Journal Title: 平成 29 年 電気学会 電子・情報・システム部門大会 講演論文集 Volume: - Pages: 203-208
• [Journal Article] 活動依存性マンガン造影 MRI のための脳内マンガン動態の検討 (2017)
  • Author(s): 谷平 大樹, 菊田 里美, 本間 経康, 小山内 実
  • Journal Title: 平成 29 年 電気学会 電子・情報・システム部門大会 講演論文集 Volume: - Pages: 229-232
• [Journal Article] A comparison of image segmentation methods on low contrast cellular fluorescence images (2017)
  • Author(s): Pelonomi M, Homma N, Osanai M
  • Journal Title: 平成 29 年 電気学会 電子・情報・システム部門大会 講演論文集 Volume: - Pages: 1532-1533
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] 全脳神経活動履歴計測法であるマンガン造影 MRI の定量的発展とパーキンソン病モデル動物への応用 (2017)
  • Author(s): 菊田 里美, 中村 幸代, 山村 行生, 柳川 右千夫, 本間 経康, 笠原 二郎, 小山内 実
  • Journal Title: SICE Symposium on Systems and Information 2017 システム・情報部門学術講演会 2017 講演論文集 Volume: - Pages: 810-813
• [Journal Article] Ultra-thin fluorescence endoscope imaging system (2017)
  • Author(s): Osanai M, Ohkawa N, Kamiya A, Inami C, Sato M, Ohkura M, Kojima T, Kohmura Y, Hayashi Y, Yanagawa Y, Ohsawa M, Nakai J, Inokuchi K, Homma N, Mushiake H
  • Journal Title: SICE Symposium on Systems and Information 2017 システム・情報部門学術講演会 2017 講演論文集 Volume: - Pages: 814-815
• [Journal Article] 活動依存性マンガン造影MRIのための脳内マンガン動態の検討 (2017)
  • Author(s): 谷平 大樹, 菊田 里美, 稲波 千尋, 大澤 匡弘, 本間 経康, 小山内 実
  • Journal Title: SICE Symposium on Systems and Information 2017 システム・情報部門学術講演会 2017 講演論文集 Volume: - Pages: 816-817
• [Presentation] Differential characteristics of D1 and D2-type medium spiny neuron via cortico-striatal stimulation. (2019)
  • Author(s): Inagaki R, Sasagawa M, Homma N, Osanai M
  • Organizer: 9th FAOPS Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Circuitry changes in Parkinson’s disease assessed by qAIM-MRI. (2019)
  • Author(s): Osanai M, Kikuta S, Moiloa P, Tanihira H, Homma N
  • Organizer: 9th FAOPS Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Application of spatiotemporal neural network to segment low contrast calcium fluorescence images. (2019)
  • Author(s): Moiloa P, Homma N, Osanai M
  • Organizer: 9th FAOPS Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ドーパミン D1 受容体ノックダウンマウスのマルチモーダル解析. (2019)
  • Author(s): 小山内 実
  • Organizer: 平成 30 年度 京都大学霊長類研究所共同利用研究会「先端技術の導入による霊長類脳科学の進展と新たな概念の創出」
• [Presentation] HPC-1/syntaxin 1A regulates the cortical signal propagation by affecting the GABAergic transmission. (2018)
  • Author(s): Osanai M, Matsumura A, Fujiwara T, Kikuta S, Yagi T, Akagawa K
  • Organizer: 11th FENS Forum of Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 定量的活動依存性マンガン造影 MRI の原理とその応用. (2018)
  • Author(s): 小山内 実
  • Organizer: 新潟脳神経研究会特別例会
  • Invited
• [Presentation] Multi-scale and multi-dimmensional analysis for unraveling brain functions. (2018)
  • Author(s): 小山内 実
  • Organizer: 平成 30 年度 第 2 回 大脳基底核機能研究会
  • Invited
• [Presentation] Application of U-Net deep learning architecture for segmenting low contrast calcium fluorescence images stacks of neurons. (2018)
  • Author(s): Moiloa P, Homma N, Osanai M
  • Organizer: 第 41 回日本神経科学大会
• [Presentation] Optimization of the parameters for activation-induced manganese-enhanced MRI (2018)
  • Author(s): Tanihira H, Kikuta S, Fujiwara T, Homma N, Osanai M
  • Organizer: 第 41 回日本神経科学大会
• [Presentation] Analysis of brain activity under the formalin-induced nociception in mice. (2018)
  • Author(s): Inami C, Tanihira H, Kikuta S, Kume K, Osanai M, Ohsawa M
  • Organizer: 第 41 回日本神経科学大会
• [Presentation] Integarting neuronal ensembles constitute and replay hippocampal engram. (2018)
  • Author(s): Ghandour K, Ohkawa N, Fung CCA, Asai H, Saitoh Y, Takekawa T, Okubo-Suzuki R, Soya S, Nishizono H, Matsuo M, Sato M, Ohkura M, Nakai J, Hayashi Y, Sakurai T, Osanai M, Kitamura T, Fukai T, Inokuchi K
  • Organizer: 第 41 回日本神経科学大会
• [Presentation] Whole-brain activity history omaging by quantitative activation-induced manganese-enhanced MRI. (2018)
  • Author(s): Osanai M, Tanihira H, Kikuta S, Fujiwara T, Homma N
  • Organizer: 計測自動制御学会ライフエンジニアリング部門シンポジウム 2018
• [Presentation] 活動依存性マンガン造影 MRI のための撮影パラメーターの検討. (2018)
  • Author(s): 谷平 大樹, 菊田 里美, 藤原 智徳, 本間 経康, 小山内 実
  • Organizer: 第 46 回 日本放射線技術学会 秋季学術大会
• [Presentation] 活動依存性マンガン造影 MRI の実験プロトコルと問題点. (2018)
  • Author(s): 谷平 大樹, 菊田 里美, 藤原 智徳, 本間 経康, 小山内 実
  • Organizer: 第 50 回 東北生理談話会
• [Presentation] Temporospatioal U-Net for low contrast calcium fluorescence image segmentation. (2018)
  • Author(s): Pelonomi Moiloa, 本間 経康, 小山内 実
  • Organizer: SICE Symposium on Systems and Information 2018
• [Presentation] Differential properties of dopamine D1 and D2-type medium spiny neuron via cortico-striatal stimulation in the beta frequency range. (2018)
  • Author(s): 稲垣 良, 笹川 正人, 本間 経康, 小山内 実
  • Organizer: 次世代脳プロジェクト冬のシンポジウム
• [Presentation] 脳深部機能解析のための極微細蛍光内視鏡イメージングシステム (2018)
  • Author(s): 小山内 実, 大川 宜昭, 神谷 厚範, 稲波 千尋, 佐藤 正晃, 大倉 正道, 小島 太郎, 幸村 裕治, 林 康紀, 柳川 右千夫, 大澤 匡弘, 中井 淳一, 井ノ口 馨, 本間 経康, 虫明 元
  • Organizer: 平成 29 年度文部科学省新学術領域研究 学術研究支援基盤形成 先端モデル動物支援プラットフォーム 成果発表会
• [Presentation] 痛み認知時のマウスの脳活動と脳血流変化の解析 (2018)
  • Author(s): 稲波 千尋, 谷平 大樹, 菊田 里美, 春田 牧人, 粂 和彦, 太田 淳, 小山内 実, 大澤 匡弘
  • Organizer: 平成 29 年度文部科学省新学術領域研究 学術研究支援基盤形成 先端モデル動物支援プラットフォーム 成果発表会
• [Presentation] 活動依存性マンガン造影 MRI を用いた神経活動計測のための脳内マンガン動態の検討 (2018)
  • Author(s): 谷平 大樹, 菊田 里美, 本間 経康, 小山内 実
  • Organizer: 平成 29 年度文部科学省新学術領域研究 学術研究支援基盤形成 先端モデル動物支援プラットフォーム 成果発表会
• [Presentation] 定量的活動依存性マンガン造影 MRI (qAIM-MRI) の妥当性の検討とモデルマウスの全脳神経活動計測 (2018)
  • Author(s): 小山内 実
  • Organizer: 平成 29 年度 京都大学霊長類研究所共同利用研究会「先端技術の導入による霊長類脳科学の進展と新たな概念の創出」
• [Presentation] 線条体直接路、間接路ニューロンにおけるベータ波帯域での応答特性の違い (2018)
  • Author(s): 笹川 正人, 本間 経康, 菊田里美, 小林 和人, 小山内 実
  • Organizer: 医用・生体工学研究会「神経工学＆バイオサイバネティックス」
• [Presentation] Whole brain activity mapping with quantitative activation-induced manganese-enhanced MRI in dopamine D1 receptor conditional knockdown mice (2018)
  • Author(s): Osanai M, Tanihira H, Kikuta S, Homma N, Sato A, Osa K, Sasaoka T, Nambu A
  • Organizer: 第 95 回日本生理学会大会
• [Presentation] Ultra-thin fluorescence endoscope imaging system for functional brain imaging (2017)
  • Author(s): Osanai M, Ohkawa N, Sakamoto K, Miwa H, Kikuta S, Tamura A, Sato M, Ohkura M, Kojima T, Kohmura Y, Nakai J, Hayashi Y, Yanagawa Y, Inokuchi K, Homma N, Mushiake H
  • Organizer: 第 40 回日本神経科学大会
• [Presentation] Time-series evaluation of the Mn2+ concentration in the brain for measuring appropriate neuronal activity map by activation-induced manganese-enhanced MRI (2017)
  • Author(s): Tanihira H, Kikuta S, Homma N, Osanai M
  • Organizer: 第 40 回日本神経科学大会
• [Presentation] D1ドーパミン受容体コンディショナルノックダウンマウスの全脳神経活動解析 (2017)
  • Author(s): 小山内 実, 菊田 里美, 谷平 大樹, 本間 経康, 佐藤 朝子, 小田 佳奈子, 笹岡 俊邦, 南部 篤
  • Organizer: 第 21 回活性アミンに関するワークショップ
• [Presentation] 脳の機能イメージングを可能にする内視鏡システム (2017)
  • Author(s): 小山内 実
  • Organizer: JST フェア 2017
• [Presentation] 線条体ニューロンの入出力特性のイメージング解析 (2017)
  • Author(s): 笹川 正人, 菊田 里美, 本間 経康, 小林 和人, 小山内 実
  • Organizer: 平成 29 年 電気学会 電子・情報・システム部門大会
• [Presentation] 活動依存性マンガン造影 MRI のための脳内マンガン動態の検討 (2017)
  • Author(s): 谷平 大樹, 菊田 里美, 本間 経康, 小山内 実
  • Organizer: 平成 29 年 電気学会 電子・情報・システム部門大会
• [Presentation] A comparison of image segmentation methods on low contrast cellular fluorescence images (2017)
  • Author(s): Pelonomi M, Homma N, Osanai M
  • Organizer: 平成 29 年 電気学会 電子・情報・システム部門大会
• [Presentation] 活動依存性マンガン造影 MRI による神経活動計測タイミングの検討 (2017)
  • Author(s): 谷平 大樹, 菊田 里美, 本間 経康, 小山内 実
  • Organizer: 第 49 回 東北生理談話会
• [Presentation] ストア作動性カルシウムチャネルは線条体 GABA ニューロンで機能し ER からの長時間続くカルシウム放出に関与している (2017)
  • Author(s): 菊田 里美, 柳川 右千夫, 高田 昌彦, 小山内 実
  • Organizer: 第 9 回 光操作研究会
• [Presentation] Inokuchi K. Unraveling the dynamism of engram cells during contextual memory processing (2017)
  • Author(s): Ghandour K, Ohkawa N, Fung C, Saitoh Y, Takekawa T, Asai H, Okubo-Suzuki R, Nomoto M Soya S, Tsujimura S, Nishizono H, Matsuo M, Sato M, Ohkura M, Nakai J, Hayashi Y, Sakurai T, Osanai M, Fukai T
  • Organizer: NEUROSCIENCE 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Involvement of the store operated calcium entry in the long-lasting calcium transient in the striatal GABAergic neuron (2017)
  • Author(s): Kikuta S, Yanagawa Y, Homma N, Takada M, Osanai M
  • Organizer: NEUROSCIENCE 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 全脳神経活動履歴計測法であるマンガン造影 MRI の定量的発展とパーキンソン病モデル動物への応用 (2017)
  • Author(s): 菊田 里美, 中村 幸代, 山村 行生, 柳川 右千夫, 本間 経康, 笠原 二郎, 小山内 実
  • Organizer: SICE SSI 2017
• [Presentation] Ultra-thin fluorescence endoscope imaging system for functional biological imaging (2017)
  • Author(s): Osanai M, Ohkawa N, Kamiya A, Inami C, Sato M, Ohkura M, Kojima T, Kohmura Y, Hayashi Y, Yanagawa Y, Ohsawa M, Nakai J, Inokuchi K, Homma N, Mushiake H
  • Organizer: SICE SSI 2017
• [Presentation] 活動依存性マンガン造影MRIのための脳内マンガン動態の検討 (2017)
  • Author(s): 谷平 大樹, 菊田 里美, 稲波 千尋, 大澤 匡弘, 本間 経康, 小山内 実
  • Organizer: SICE SSI 2017
• [Presentation] 脳の機能イメージングを可能にする内視鏡システム (2017)
  • Author(s): 小山内 実
  • Organizer: 第 4 回メディカルメッセ
• [Presentation] Whole brain activity mapping using quantitative activation-induced manganese-enhanced MRI (2017)
  • Author(s): Osanai M, Ohsawa M, Tanihira H, Kikuta S, Inami C, Homma N
  • Organizer: ACS2017 -International Symposium on Adaptive Circuit Shift 2017-
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 極微細蛍光内視鏡による脳深部機能イメージング (2017)
  • Author(s): 小山内 実
  • Organizer: 次世代脳プロジェクト冬のシンポジウム
• [Remarks] 所属機関作成 web ページ
  • URL: http://sahswww.med.osaka-u.ac.jp/jpn/departments/iryogijyutu-hosya_seitaikinou.html
• [Remarks] 研究グループホームページ
  • URL: http://www.rii.med.tohoku.ac.jp/brain/index_osanai.html