Prenatal stress at critical period induces odd cholinergic projections to cortical GABA system

• Project Area: Inducing lifelong plasticity (iPlasticity) by brain rejuvenation: elucidation and manipulation of critical period mechanisms
• Project/Area Number: 21H05687
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Hamamatsu University School of Medicine
• Principal Investigator: 福田 敦夫 浜松医科大学, 医学部, 教授 (50254272)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥12,740,000 (Direct Cost: ¥9,800,000、Indirect Cost: ¥2,940,000); Fiscal Year 2022: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2021: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
• Keywords: GABA / アセチルコリン / 細胞発生 / Gad1 / 胎生ストレス / ムスカリン / ドネペジル / アトロピン

Outline of Research at the Start

統合失調症や自閉症のリスクとして、母胎の精神的ストレスと子のGABA関連遺伝子の異常には証拠がある。そこで遺伝－環境交互作用に着目して、GABA合成酵素 GAD67遺伝子Gad1のヘテロ欠損胎仔の母体に拘束ストレスを加えるTwo-hit モデルを作製した。このモデルはparvalbumin (PV)陽性GABA細胞の減少と行動・脳波の異常を表出し、DNAメチル化変化によりGABAから acetylcholine (ACh)へと細胞発生・分化が運命転化した可能性がある。そこで、GABA/ACh細胞発生転写因子発現の臨界期にエピジェネティクに誘導されたACh細胞によって規定のGABA 神経回路が新奇に更新されるメカニズムを解明する。

Outline of Annual Research Achievements

１．臨界期ストレス暴露大脳皮質錐体細胞の電気生理学的解析：大脳皮質内側前頭前野スライス標本を作製し錐体細胞からパッチクランプ記録を行い、抑制性電流の変化を対照群と比較した。両群ともにドネペジル投与後にsIPSCの振幅が増加し、アトロピンで対照群は元に戻ったがストレス群ではsIPSCの振幅がさらに減少した。sIPSCの頻度はドネペジル投与後は対照群で頻度が増し、アトロピン投与後対照群は元に戻ったが、ストレス群ではさらに頻度が減少した。強化されたGABA作動性抑制性神経伝達がAChの放出増加とムスカリン受容体によることを同定した。
２．臨界期ストレス暴露成体大脳皮質GABA 細胞の電気生理学的機能解析：同様にスライス標本を作製してGABA 細胞からパッチクランプ記録を行った。ストレス群では基電流減少、後過分極電位減少、入力応答発火頻度の増加がみられ、これらの変化はアトロピンで消失した。GABA細胞において増加したACｈ神経終末から放出されたAChにより、GABA細胞のACh感受性K電流（M電流）が抑制を受けと考えられた。ニコチン性受容体阻害薬のMLAでは若干の、DhβEでは同様の傾向があったが、実験手技上アトロピン作用が残存していた可能性を否定できなかった。
３．臨界期ストレス暴露成体大脳皮質の神経回路機能解析：臨界期ストレス暴露によるACh入力の増加とその影響を明らかにするために、対照群とストレス群にドネペジルあるいはアトロピンを腹腔内投与して、ストレス群における脳波のγ帯域の減少や行動テストの社会的新規性認識の障害が改善するかどうか検討した。

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

• [Int'l Joint Research] Yale School of Medicine(米国)
• [Int'l Joint Research] マインツ大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Yale School of Medicine(米国)
• [Int'l Joint Research] マインツ大学(ドイツ)
• [Journal Article] Imbalanced expression of cation-chloride cotransporters as potential therapeutic target in an Angelman syndrome model mouse. (2023)
  • Author(s): Egawa K#, Watanabe M#(#contributed equally to this work), Shiraishi H, Sato D, Takahashi Y, Nishio S , Fukuda A.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13: 5685 Issue: 1 Pages: 5685-5685
  • DOI: 10.1038/s41598-023-32376-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Therapeutic effects of KCC2 chloride transporter activation on detrusor overactivity in mice with spinal cord injury (2023)
  • Author(s): Watanabe Kyohei、Ishibashi Masaru、Suzuki Takahisa、Otsuka Atsushi、Yoshimura Naoki、Miyake Hideaki、Fukuda Atsuo
  • Journal Title: American Journal of Physiology-Renal Physiology Volume: 324 Issue: 4 Pages: F353-F361
  • DOI: 10.1152/ajprenal.00271.2022
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A novel de novo KCNB1 variant altering channel characteristics in a patient with periventricular heterotopia, abnormal corpus callosum, and mild seizure outcome (2023)
  • Author(s): Hiraide Takuya、Akita Tenpei、Uematsu Kenji、Miyamoto Sachiko、Nakashima Mitsuko、Sasaki Masayuki、Fukuda Atsuo、Kato Mitsuhiro、Saitsu Hirotomo
  • Journal Title: Journal of Human Genetics Volume: 68 Issue: 1 Pages: 25-31
  • DOI: 10.1038/s10038-022-01090-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Editorial: The role of GABA-shift in neurodevelopment and psychiatric disorders (2023)
  • Author(s): Neuwirth Lorenz S.、El Idrissi Abdeslem、Fukuda Atsuo、Kilb Werner
  • Journal Title: Frontiers in Molecular Neuroscience Volume: 16 Pages: 1162689-1162689
  • DOI: 10.3389/fnmol.2023.1162689
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of taurine depletion on body weight and mouse behavior during development. (2022)
  • Author(s): Watanabe M, Ito T, Fukuda A
  • Journal Title: Metabolites Volume: 12(7): 631 Issue: 7 Pages: 631-631
  • DOI: 10.3390/metabo12070631
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A subpopulation of AgRP neurons excites CRH axon terminals in median eminence led to HPA axis activation in response to food restriction. (2022)
  • Author(s): Yesmin R, Watanabe M, Sinha AS, Ishibashi M, Wang T, Fukuda A
  • Journal Title: Frontiers in Molecular Neuroscience Volume: 15: 990803 Pages: 1-16
  • DOI: 10.3389/fnmol.2022.990803
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] WNK3 kinase maintains neuronal excitability by reducing inwardly rectifying K+ conductance in layer V pyramidal neurons of mouse medial prefrontal cortex. (2022)
  • Author(s): Sinha AS, Wang T, Watanabe M, Hosoi Y, Sohara E, Akita T, Uchida S, Fukuda A
  • Journal Title: Frontiers in Molecular Neuroscience Volume: 15: 856262 Pages: 856262-856262
  • DOI: 10.3389/fnmol.2022.856262
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Taurine depletion during fetal and postnatal development blunts firing responses of neocortical layer II/III pyramidal neurons. (2022)
  • Author(s): Hosoi Y, Akita T, Watanabe M, Ito T, Miyajima H, Fukuda A
  • Journal Title: Frontiers in Molecular Neuroscience Volume: 15: 806798 Pages: 806798-806798
  • DOI: 10.3389/fnmol.2022.806798
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Elucidation of pathological mechanism caused by human disease mutation in CaMKIIβ (2022)
  • Author(s): Mutoh H, Aoto K, Miyazaki T, Fukuda A, Saitsu H.
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Research Volume: 100 Issue: 3 Pages: 880-896
  • DOI: 10.1002/jnr.25013
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Orchestration of Ion Channels and Transporters in Neocortical Development and Neurological Disorders (2022)
  • Author(s): Bando Y, Ishibashi M, Yamagishi S, Fukuda A, Sato K.
  • Journal Title: Frontiers in Neuroscience Volume: 16 Pages: 827284-827284
  • DOI: 10.3389/fnins.2022.827284
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] GABAA receptors and maternally derived taurine regulate the temporal specification of progenitors of excitatory glutamatergic neurons in the mouse developing cortex. (2021)
  • Author(s): Tochitani S, Furukawa T, Bando R, Kondo S, Ito T, Matsushima Y, Kojima T, Matsuzaki H, Fukuda A.
  • Journal Title: Cerebral Cortex Volume: In press Pages: 4554-4575
  • DOI: 10.1093/cercor/bhab106
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Functional MHCI deficiency in mice causes ADHD-like behaviors with increased accumbal dopamine D1 receptor expression (2021)
  • Author(s): Meng H, Suenaga T, Edamura M, Fukuda A, Ishida Y, Nakahara D, Murakami G
  • Journal Title: Brain Behav Immun Volume: 97 Pages: 22-31
  • DOI: 10.1016/j.bbi.2021.05.015
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ATP6V0A1 encoding the a1-subunit of the V0 domain of vacuolar H(+)-ATPases is essential for brain development in humans and mice (2021)
  • Author(s): Aoto K, Kato M, Akita T, Nakashima M, Mutoh H, Akasaka N, Tohyama J, Nomura Y, Hoshino K, Ago Y, Tanaka R, Epstein O, Ben-Haim R, Heyman E, Miyazaki T, Belal H, Takabayashi S, Ohba C, Takata A, Mizuguchi T, Miyatake S, Miyake N, Fukuda A, Matsumoto N and Saitsu H
  • Journal Title: Nat Commun Volume: 12 Issue: 1 Pages: 2107-2107
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22389-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of enhanced KCC2 activity induced by dephosphorylation of Thr906 and Thr1007 on neuronal function. (2023)
  • Author(s): 渡部美穂, Kahle KT, 福田 敦夫.
  • Organizer: 日本生理学会第100回記念大会
• [Presentation] Impact of a novel slow afterhyperpolarization (sAHP) on spike encoding by serotonergic (5-HT) dorsal raphe (DR) neurons. (2023)
  • Author(s): 石橋賢, 福田敦夫, Leonard CS.
  • Organizer: 日本生理学会第100回記念大会
• [Presentation] Astrocytic Na-K-Cl cotransporter type 1 attenuates seizures promoted by GABAergic excitation. (2023)
  • Author(s): Nguyen DT, Ishibashi M, Watanabe M, Sinha, AS. Yesmin R, Fukuda A.
  • Organizer: 日本生理学会第100回記念大会
• [Presentation] 脳におけるタウリンの多彩な働き (2023)
  • Author(s): 福田敦夫
  • Organizer: 第9回国際タウリン研究会日本部会
  • Invited
• [Presentation] KCC2 クロライドイオン・トランスポーターのダウンレギュレーションは排尿筋過活動と関連する. (2023)
  • Author(s): 渡邊 恭平, 石橋 賢, 鈴木 孝尚, 大塚 篤史, 吉村 直樹, 三宅 秀明, 福田 敦夫.
  • Organizer: 第32回泌尿器科分子・細胞研究会
• [Presentation] 脳の発達と病態におけるCl-ホメオダイナミクス. (2022)
  • Author(s): 福田敦夫
  • Organizer: 第49回日本脳科学会
  • Invited
• [Presentation] 抑制性神経伝達におけるカリウム-クロライド共輸送体(KCC2)のリン酸化による機能制御の役割. (2022)
  • Author(s): 渡部美穂, Kahle KT, 福田 敦夫.
  • Organizer: 第49回日本脳科学会
• [Presentation] 発達期皮質錐体細胞におけるCa2+動態とタウリンによるGABAA受容体活性化. (2022)
  • Author(s): 石橋賢, 阪東勇輝, 佐藤康二, 福田敦夫.
  • Organizer: 第49回日本脳科学会
• [Presentation] Cholinergic modulation of prefrontal GABAergic network in Gad1 heterozygotes subjected to prenatal stress: links to autism like behavior in a mouse model. (2022)
  • Author(s): Sinha AS, Wang T, Yanagawa Y, Kawai T, Hata K, Fukuda A.
  • Organizer: 第49回日本脳科学会
• [Presentation] Loss of astrocytic Na-K-Cl cotransporter type 1 hastens seizures promoted by GABAergic excitation into pyramidal neurons. (2022)
  • Author(s): Nguyen DT, Ishibashi M, Watanabe M, Akita T, Sinha AS, Yesmin R, Fukuda A.
  • Organizer: 第49回日本脳科学会
• [Presentation] 脊髄損傷マウスにおけるKCC2ダウンレギュレーションは排尿筋過活動と関連する. (2022)
  • Author(s): 渡邊 恭平, 石橋 賢, 鈴木 孝尚, 大塚 篤史, 吉村 直樹, 三宅 秀明, 福田 敦夫.
  • Organizer: 第49回日本脳科学会
• [Presentation] Astrocytic NKCC1 plays a pivotal role in prevention of seizures promoted by postsynaptic GABAergic excitation in epilepsy models. (2022)
  • Author(s): Nguyen DT, Ishibashi M, Watanabe M, Sinha, AS. Yesmin R, Fukuda A.
  • Organizer: Neuroscience 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] WNK3 kinase maintains neuronal excitability by regulating trafcking of KCC2 and inward rectifying K+ channels in layer V pyramidal neurons of mouse medial prefrontal cortex. (2022)
  • Author(s): Sinha AS, Wang T, Watanabe M, Sohara E, Akita T, Uchida S, Fukuda A.
  • Organizer: Neuroscience 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Loss of astrocytic Na-K-Cl cotransporter type 1 hastens seizures promoted by GABAergic excitation of neurons. (2022)
  • Author(s): Nguyen DT, Ishibashi M, Watanabe M, Sinha AS, Yesmin R, Fukuda A.
  • Organizer: 第69回中部日本生理学会
• [Presentation] オレキシン誘発性の発火後過分極増強が背側縫線核セロトニン作動性ニューロンのスパイクエンコーディングに及ぼす影響. (2022)
  • Author(s): 石橋 賢, 福田敦夫, Leonard CS.
  • Organizer: 第69回中部日本生理学会
• [Presentation] WNK3 kinase maintains neuronal excitability by regulating trafficking of KCC2 and inward rectifying K+ channels in layer V pyramidal neurons. (2022)
  • Author(s): Sinha AS, Wang T, Watanabe M, Sohara E, Akita T, Uchida S, Fukuda A.
  • Organizer: 第69回中部日本生理学会
• [Presentation] Cl-ホメオダイナミクスとマルチモーダル GABA:中部生理学会からの展開. (2022)
  • Author(s): 福田敦夫
  • Organizer: 第99回日本生理学会大会
• [Presentation] Orexin receptor activation induces a novel slow afterhyperpolarization in serotonergic dorsal raphe neurons. (2022)
  • Author(s): Ishibashi M, Fukuda A, Leonard CS.
  • Organizer: 第99回日本生理学会大会
• [Presentation] Regulated KCC2 phosphorylation is critical for dynamic GABA-mediated inhibition. (2022)
  • Author(s): Watanabe M, Kahle KT. Fukuda A.
  • Organizer: 第99回日本生理学会大会
• [Presentation] 胎生期ストレスとGad1ヘテロ欠損の二重ヒットによるDNAメチル化により惹起された神経細胞分化と回路の運命転化. (2022)
  • Author(s): 王天英, Adya Saran Sinha, 柳川右千夫, 河合智子, 秦健一郎, 福田敦夫.
  • Organizer: 第30回日本病態生理学会大会
• [Presentation] 母体ストレスとGad1異常が惹起するGABA-アセチルコリン神経回路. (2022)
  • Author(s): 福田敦夫
  • Organizer: 学術変革領域研究(A)（臨界期生物学）2021年度領域班会議
• [Presentation] Caloric restriction mediated hypothalamic-pituitary-adrenal axis regulation is dependent on a subset of AgRP neuronal activation. (2021)
  • Author(s): Yesmin R, Watanabe M, Sinha AS, Ishibashi M, Akita T, Fukuda A.
  • Organizer: 第48回日本脳科学会
• [Presentation] オレキシンは縫線核セロトニン作動性ニューロンにおいて非選択的陽イオンチャネルの閉口による発火後過分極を誘発する. (2021)
  • Author(s): 石橋賢，福田敦夫，Leonard S Christopher.
  • Organizer: 第68回中部日本生理学会
• [Presentation] 発達性てんかん性脳症を引き起こすKv2.1 R306C 変異の大脳皮質錐体神経発火活動への影響について. (2021)
  • Author(s): 秋田天平，青戸一司，才津浩智，福田敦夫.
  • Organizer: 第68回中部日本生理学会
• [Presentation] リン酸化によるカリウム-クロライド共輸送体(KCC2)の機能制御. (2021)
  • Author(s): 渡部美穂, Kahle KT, 福田敦夫.
  • Organizer: 第68回中部日本生理学会
• [Presentation] 母体ストレスが胎児に与える影響：動物モデルからの警鐘. (2021)
  • Author(s): 福田敦夫
  • Organizer: 第9回新胎児学研究会
• [Remarks] 浜松医科大学医学部神経生理学講座ホームページ
  • URL: https://www.hama-med.ac.jp/education/fac-med/dept/neurophysiology/index.html
• [Remarks] 国際学術誌「Scientific Reports」に研究成果が公表されました
  • URL: https://www.hama-med.ac.jp/topics/2023/28780.html
• [Remarks] J. Physiology誌の日本人著者による優れた論文40選に選出
  • URL: https://physoc.onlinelibrary.wiley.com/doi/toc/10.1111/(ISSN)1469-7793.japanese-physiology
• [Remarks] 浜松医大ホームページ（J. Physiology誌の日本人著者による優れた論文40選に選出）
  • URL: https://www.hama-med.ac.jp/topics/2023/28687.html
• [Remarks] 浜松医大プレスリリース（Nature Communicationsへ研究成果公表）
  • URL: https://www.hama-med.ac.jp/topics/2021/26884.html
• [Remarks] 浜松医大プレスリリース（Cerebral Cortexへ研究成果公表）
  • URL: https://www.hama-med.ac.jp/topics/2021/26955.html
• [Remarks] 浜松医大プレスリリース（Brain, Behavior, and Immunityへ研究成果公表）
  • URL: https://www.hama-med.ac.jp/topics/2021/27089.html
• [Remarks] みらいぶっく 学問・大学なび【最先端研究を訪ねて】
  • URL: https://www.sekaiwokaeyo.com/ni153/