冬眠様状態の脳における時の流れの研究

• Project Area: Chronogenesis: how the mind generates time
• Project/Area Number: 21H00298
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 坪田 有沙 (平野有沙) 筑波大学, 医学医療系, 助教 (60806230)
• Project Period (FY): 2021-08-23 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 冬眠様行動 / QIH / 低代謝 / 光遺伝学 / 概日時計 / 視交叉上核 / 概日リズム / 体内時計

Outline of Research at the Start

マウス視床下部前腹側周室核のQRFP産生神経を特異的に刺激すると、36時間以上にわたる低体温・低代謝状態を誘導することが可能である。本研究では、「低体温・低代謝状態の脳内において体内時計システムがどのように時を刻み、また時間がどのように認知されているか」を明らかにすることを目的とする。中枢時計の存在するSCNにおいて時計遺伝子の発現およびカルシウム・神経活動リズムのin vivoレコーディングを行い、低体温状況における概日時計の振る舞いを分子・神経レベルで記述する。さらに、基本的な陳述記憶を検査する行動テストを行い冬眠様状態においてマウスが時間をどのように認知しているかを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、冬眠様状態(QIH)を誘導し「低体温・低代謝状態の脳内において体内時計システムがどのように時を刻んでいるのか」を明らかにすることを目的とした。QRFP神経を特異的に操作するために、Qrfp-iCreドライバーマウスにCre依存的にhM3Dq-mCherryを発現するアデノ随伴ウイルス(AAV)をマイクロインジェクションし、QIHを誘導した。研究代表者はマウスの行動リズムの位相が冬眠誘導前と回復後で全く変わらないということ、さらにそれらが冬眠誘導のタイミングによらないことを見出した。さらに、分子時計の挙動を調べるために時計タンパク質PER2にルシフェラー ゼを融合させたタンパク質を発現するノックインマウスとQrfp-iCreマウスを交配し、QIHを誘導した。マルチインビボイメージャーを用いて、自由行動下のマウスから恒暗条件下でルシフェラーゼ発光を計測した。まず、中枢時計であるSCNにおいてPER2::LUCの発現を経時的に観察したところ、24時間周期のリズミックな変動が観察された。さらに、腎臓や肝臓などの末梢時計においてもリズムが確認できた。これらの結果は、24度という低体温に晒されても概日リズムの周期が維持されていること、分子振動が維持されていることを示しており、神経活動が大きく抑制された状況においても概日時計による時が刻まれていると考えられた。さらにSCNにおいて神経活動のリズムも継続することが判明した。これらと並行してより時間分解能が高いQIHの誘導法を開発した（Takahashi, Hirano et al., Cell Reports Methods, 2022; Takahashi et al., STAR Protocol, in press）。 低温状態を自由に作出することが可能となり、より詳細な時間認知へのアプローチが可能となる。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] SIK3-HDAC4 in the suprachiasmatic nucleus regulates the timing of arousal at the dark onset and circadian period in mice (2023)
  • Author(s): Asano Fuyuki、Kim Staci J.、Fujiyama Tomoyuki、Miyoshi Chika、Hotta-Hirashima Noriko、Asama Nodoka、Iwasaki Kanako、Kakizaki Miyo、Mizuno Seiya、Mieda Michihiro、Sugiyama Fumihiro、Takahashi Satoru、Shi Shoi、Hirano Arisa、Funato Hiromasa、Yanagisawa Masashi
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 120 Issue: 11 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1073/pnas.2218209120
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Analysis of circadian rhythm components in EEG/EMG data of aged mice. (2023)
  • Author(s): Masuda K, Katsuda Y, Niwa Y, Sakurai T and Hirano A
  • Journal Title: Front. Neurosci. Volume: 17 Pages: 1173537-1173537
  • DOI: 10.3389/fnins.2023.1173537
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure and Function of Neuronal Circuits linking Ventrolateral Preoptic Nucleus and Lateral Hypothalamic Area. (2023)
  • Author(s): Kseniia P, Saito YC, Niwa Y, Mizuno S, Takahashi S, Hirano A, Sakurai T
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Volume: － Issue: 22 Pages: 4075-4092
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1913-22.2023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Measuring body temperature of freely moving mice under optogenetics-induced long-term hypothermic state (2023)
  • Author(s): Takahashi TM, Sakurai T, Hirano A
  • Journal Title: STAR Protocol Volume: －
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Singularity response reveals entrainment properties in mammalian circadian clock. (2023)
  • Author(s): Masuda K, Kon N, Iizuka K, Fukada Y, Sakurai T, Hirano A
  • Journal Title: Nature Communications Volume: －
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optogenetic induction of hibernation-like state with modified human Opsin4 in mice (2022)
  • Author(s): Takahashi Tohru M.、Hirano Arisa、Kanda Takeshi、Saito Viviane M.、Ashitomi Hiroto、Tanaka Kazumasa Z.、Yokoshiki Yasufumi、Masuda Kosaku、Yanagisawa Masashi、Vogt Kaspar E.、Tokuda Takashi、Sakurai Takeshi
  • Journal Title: Cell Reports Methods Volume: 2 Issue: 11 Pages: 100336-100336
  • DOI: 10.1016/j.crmeth.2022.100336
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Editorial: The Role of Neuropeptides in Sleep/Wakefulness States and the Circadian Clock (2022)
  • Author(s): Tsujino Natsuko、Ikeda Masayuki、Hirano Arisa、Sakurai Takeshi
  • Journal Title: Frontiers in Neuroscience Volume: 16 Pages: 91337-91337
  • DOI: 10.3389/fnins.2022.913371
  • Open Access
• [Presentation] GPCR型光受容体を用いた神経操作と冬眠様状態の作出 (2022)
  • Author(s): 平野有沙, 高橋徹, 櫻井武
  • Organizer: 第17回GPCR研究会
  • Invited
• [Presentation] 日本睡眠学会第47回定期学術集会 (2022)
  • Author(s): 平野有沙, 高橋徹, 櫻井武
  • Organizer: マウスにおける光遺伝学を用いた人工冬眠誘導法の開発
  • Invited
• [Presentation] 第45回日本神経科学大会 (2022)
  • Author(s): 平野有沙, 高橋徹, 櫻井武
  • Organizer: Dynamics and function of the circadian oscillator during hibernation-like state in mice
  • Invited
• [Presentation] 概日時計中心から睡眠覚醒リズムを生み出す神経基盤の解析 (2021)
  • Author(s): 平野有沙
  • Organizer: 第46回日本睡眠学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] Functional analysis of neural network regulating circadian sleep-wake rhythms. (2021)
  • Author(s): 平野有沙
  • Organizer: The third congress of Asian society of sleep medicine
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of optogenetics tool using modified OPN4 (2021)
  • Author(s): 平野有沙
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会2022年大会
  • Invited