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Detection of singularity neurons during neural network formation

Publicly Offered Research

Project AreaSingularity biology
Project/Area Number 19H05430
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

岡 浩太郎  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (10276412)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2019: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Keywordsシステム生物学 / バイオイメージング / 神経生物学 / 生命情報学 / シンギュラリティ神経細胞 / 細胞内Ca応答 / タンパク質リン酸化 / 神経回路形成
Outline of Research at the Start

本研究では神経回路中で、その全体の応答を制御するような神経細胞(この細胞をシンギュラリティ神経細胞と名付ける)がどのように形成されてくるのかを明らかにする。具体的にはラット培養神経細胞について、ランダムにまず神経回路をつくり、この神経回路に適当な摂動を加えることにより「神経回路の書き換え(リプログラミング)」を促す。このような回路の書き換えを起こさせた過程とその後に、種々の蛍光イメージング法を併用することにより、神経細胞間のシナプス接続と神経細胞のリン酸化レベルなどを調べる。これにより、「シンギュラリティ神経細胞はどのような神経活動を経て形成されたのか?」を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

ラット海馬分散培養系の培養初期段階では、活動電位が発生するタイミングは徐々に同期的になる。また、この時期には他の多くの細胞と機能的結合を持ち、ネットワーク全体の挙動を制御するような細胞(シンギュラリティ神経細胞)の存在が考えられる。そこで、そのトポロジーが大きく変化する神経ネットワーク形成過程で、どのようにシンギュラリティ神経細胞が生じ、その性質を維持するのか、また各ニューロンが持つ機能的結合数とタンパク質リン酸化度合いに相関はあるのかを明らかにすることを目的として研究を進めた。
Caイメージングの結果から神経発火を検出し、さらにTransfer Entropyを用いて機能的結合を算出した。解析の結果から、神経ネットワークはスケールフリーネットワークであることが明らかになった。また経日的な観察から、神経ネットワークの同期的な活動は一過的であることがわかった。高結合性ニューロンの比率は変化しないが、約半数の細胞がその結合性を変化させていた。次に、培養期間中に高結合性を維持し続けた細胞をさらにMaintain High Connectivity Neuron (MHC)と定義した。培養初期から後期にかけて存在し続けた結合について調べたところ、そのほとんどがMHC同士の結合であった。また、同期的な活動を示すネットワークに含まれる高結合性ニューロンでは、ERKのリン酸化度合いは他と比べて低かった。
以上の結果から高結合性を有するシンギュラリティ神経細胞の割合は培養日数によって変化しないが、個々の細胞の結合性は変化していることを時間を遡る逆解析から示すことができた。シンギュラリティ神経細胞同士の結合は培養後期でも維持された。また、高結合性ニューロンは他のニューロンと比べてネットワーク成熟に関わるタンパク質のリン酸化度合いは低く、これにより不要な結合が除去されていることが示唆された。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Near-Infrared Fluorescent Probes for Imaging of Intracellular Mg2+ and Application to Multi-Color Imaging of Mg2+, ATP, and Mitochondrial Membrane Potential2019

    • Author(s)
      Murata Osamu, Shindo Yutaka, Ikeda Yuma, Iwasawa Naoko, Citterio Daniel, Oka Kotaro, Hiruta Yuki
    • Journal Title

      Analytical Chemistry

      Volume: 92 Issue: 1 Pages: 966-974

    • DOI

      10.1021/acs.analchem.9b03872

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Magnesium Is a Key Player in Neuronal Maturation and Neuropathology2019

    • Author(s)
      Yamanaka Ryu, Shindo Yutaka, Oka Kotaro
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 20 Issue: 14 Pages: 3439-3439

    • DOI

      10.3390/ijms20143439

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] The transition of network topology and connection sustainability in cultured neurons2021

    • Author(s)
      Ryuto Ide, Yutaka Shindo, Kohji Hotta, Kotaro Oka
    • Organizer
      Society for Neuroscience Global Connectome
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] シナプス形成と活動依存的発達2020

    • Author(s)
      井出 龍斗, 堀田 耕司, 岡 浩太郎, 新藤 豊
    • Organizer
      第43回日本神経科学大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 培養神経回路網における機能的結合の形成と維持2020

    • Author(s)
      井出 龍斗, 新藤 豊, 堀田 耕司, 岡 浩太郎
    • Organizer
      第29回日本バイオイメージング学会学術集会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Mg ion as a novel candidate for second messenger2019

    • Author(s)
      Oka Kotaro, Yamanaka Ryu, Shindo Yutaka
    • Organizer
      The 6th International Symposium on Bioimaging
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Quantitative analysis of cell cycle progression within heterogeneous cell population using information theory2019

    • Author(s)
      Yamanaka Ryu, Oka Kotaro
    • Organizer
      The 6th International Symposium on Bioimaging
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Simultaneous visualization of intracellular energy substrates by using dual FRET imaging2019

    • Author(s)
      Shindo Yutaka, Iizumi Mitsuru, Yamanaka Ryu, Hotta Koji, Oka Kotaro
    • Organizer
      The 6th International Symposium on Bioimaging
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2021-12-27  

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