樹状突起における情報処理ダイナミクスの解明

• Project Area: Mesoscopic neurocircuitry: towards understanding of the functional and structural basis of brain information processing
• Project/Area Number: 23115501
• 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: Tohoku University
• Principal Investigator: 八尾 寛 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (00144353)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2012: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2011: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 神経科学 / 海馬 / シナプス / てんかん / トランスジェニックラット / ゼブラフィッシュ / DMD / チャネルロドプシンH23- / オプトジェネティクス / 光刺激 / ArchT / ソフトウェア開発 / 脳スライス

Outline of Annual Research Achievements

てんかんモデル動物では、海馬歯状回顆粒細胞が内分子層に異所性の投射をすることにより、異常な反回性回路を形成することが報告されている。しかし、これらの先行研究の多くは、Timm染色法などの亜鉛染色法によるものであり、苔状線維終末選択的に高濃度の亜鉛が分布していることを前提としている。そこで、歯状回顆粒細胞選択的にシナプトフルオリンを発現するトランスジェニックマウス(TV-42, Araki et al., 2005)を用いて、ピロカルピンてんかんモデル動物を作製した。シナプトフルオリンは、シナプス小胞v-SNAREタンパク質の一つsynaptobrevin/VAMP-2とpH感受性GFPの融合タンパク質なので、亜鉛の分布を前提としないシナプス前終末の分布を検証することができる。その結果、Timm染色法と同等ないしより高い感度で内分子層への投射が認められた。また、これらの終末にシナプス小胞が集積し、シナプス前終末として機能していることが示唆された。さらに、CA3領域においても、放線層などにおいて、シナプトフルオリン陽性のシナプス前終末を多数認めた。したがって、これらの領域においても、新しいシナプスが形成され、情報の流れが変化していることが示唆される(Ito et al., 2012)。てんかんモデル動物において歯状回顆粒細胞の反回的投射が異所的に形成されることについては、Timm染色法などの亜鉛染色法を用いた多くの先行研究があるが、シナプス小胞マーカーを用いた研究は、本研究が世界に先駆けている。これにより、機能的なシナプスが形成されていることが初めて証明された。本研究においては、また、オプトジェネティクス研究に最適化された動物モデルと光学系を開発した（Ji et al., 2012; Umeda et al., 2013; Sakai et al., 2013）。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Optogenetic Probing and Manipulation of the Calyx-Type Presynaptic Terminal in the Embryonic Chick Ciliary Ganglion. (2013)
  • Author(s): Egawa, R., Hososhima, S., Hou, X., Katow, H, S., Ishizuka, T. Nakamura, H., and Yawo, H.
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 8 Issue: 3 Pages: e59179-e59179
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0059179
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Involvement of glutamate 97 in ion influx through photo-activated channelrhodopsin-2 (2013)
  • Author(s): Tanimoto S, Sugiyama Y, Takahashi T, Ishizuka T, Yawo H
  • Journal Title: Neurosci Res Volume: 75(1) Issue: 1 Pages: 13-22
  • DOI: 10.1016/j.neures.2012.05.008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Targeted expression of a chimeric channelrhodopsin in zebrafish under regulation of Gal4-UAS system. (2013)
  • Author(s): Umeda K, Shoji W Sakai S, Muto A, Kawakami K, Ishizuka T, and Yawo H
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: 75 Issue: 1 Pages: 69-75
  • DOI: 10.1016/j.neures.2012.08.010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Channelrhodopsins - their potential in gene therapy for neurological disorders (2013)
  • Author(s): Ji Z-G, Ishizuka T, Yawo H
  • Journal Title: Neurosci Res Volume: 75 Issue: 1 Pages: 6-12
  • DOI: 10.1016/j.neures.2012.09.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Adventure beyond borders of scientific fields with optogenetics (2013)
  • Author(s): Yawo H, Koizumi A, Hegemann P
  • Journal Title: Neurosci Res Volume: 75 Issue: 1 Pages: 1-2
  • DOI: 10.1016/j.neures.2013.02.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Parallel and patterned optogenetic manipulation of neurons in the brain slice using a DMD-based projector (2012)
  • Author(s): Sakai S, Ueno K, Ishizuka T, Yawo H
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: (In press) Issue: 1 Pages: 59-64
  • DOI: 10.1016/j.neures.2012.03.009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Remodeling of hippocampal network in pilocarpine-treated mice expressing synaptopHluorin in the mossy fiber terminals (2012)
  • Author(s): Ito S, Ishizuka T, Yawo H
  • Journal Title: Neurosci Res Volume: 74(1) Issue: 1 Pages: 25-31
  • DOI: 10.1016/j.neures.2012.07.003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Light-evoked somatosensory perception of transgenic rats which express channelrhodopsin-2 in dorsal root ganglion cells (2012)
  • Author(s): Ji Z-G, Ito S, Honjoh T, Ohta H, Ishizuka T, Fukazawa Y, Yawo H
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 7 Issue: 3 Pages: e32699-e32699
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0032699
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optically controlled contraction of photosensitive skeletal muscle cells (2012)
  • Author(s): Asano T, Ishizuka T, Yawo H
  • Journal Title: Biotechnol Bioeng Volume: 109 Issue: 4 Pages: 199-204
  • DOI: 10.1016/j.neures.2011.08.013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Parallel and patterned optogenetic manipulation of neurons in the brain slice using a DMD-based projector (2012)
  • Author(s): Sakai S, Ueno K, Ishizuka T, Yawo H
  • Journal Title: Neurosci Res Volume: (in press)
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Optogenetic induction of bursting activity of hilar mossy cells (2013)
  • Author(s): Takaaki Mishima, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo
  • Organizer: 第90回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] Optogenetic study of whisker-barrel system - cortical electrophysiology and functional MRI (2013)
  • Author(s): Tatsuya Honjoh, Akira Sumiyoshi, Yukinobu Yokoyama, Zhi-Gang Ji, Toru Ishizuka, Ryuta Kawashima, Hiromu Yawo
  • Organizer: 第90回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] The functional synaptic connection of the GABAergic neurons in the striatum was examined by the multicellular calcium imaging (2013)
  • Author(s): Kotomi Kikuchi, Atsushi Tamura, Issei Mori, Yuchio Yanagawa, Hiromu Yawo, Makoto Osanai
  • Organizer: 第90回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] Optogenetic neural manipulations with channelrhodopsins, natural photoelectric transducers (2012)
  • Author(s): Tatsuya Honjoh, Zhi-Gang Ji, Yukinobu Yokoyama, Akira Sumiyoshi, Toru Ishizuka, Ryuta Kawashima, Hiromu Yawo
  • Organizer: International Conference on Nano-Molecular Electronics2012 (ICNME2012)
  • Place of Presentation: 淡路島
  • Year and Date: 2012-12-12
  • Invited
• [Presentation] オプトジェネティクス(光遺伝学)による脳・神経系への情報送達 (2012)
  • Author(s): 本城 達也、姫 志剛、横山 超一、住吉 晃、石塚 徹、川島 隆太、八尾 寛
  • Organizer: レーザー学会第437回研究会「ニューロフォトニクス」
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2012-12-07
  • Invited
• [Presentation] 光操作システムの開発とオプトジェネティクス(光遺伝学)への応用 (2012)
  • Author(s): 八尾 寛
  • Organizer: 第32回 東邦大学生命科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 船橋市
  • Year and Date: 2012-10-31
  • Invited
• [Presentation] Light-induced touch-pressure sense of transgenic rats that express channelrhodopsin-2 in dorsal root ganglion cells (2012)
  • Author(s): Ji Z-G, Ito S, Honjoh T, Ohta H, Ishizuka T, Fukazawa Y, Yawo H
  • Organizer: Soc. Neurosci. Abstr., Neuroscience 2012
  • Place of Presentation: New Orleans, USA
  • Year and Date: 2012-10-13
• [Presentation] Parallel and patterned optogenetic manipulation of neurons in the brain slice using a DMD-based projector (2012)
  • Author(s): Seiichiro Sakai, Kenichi Ueno, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo
  • Organizer: Soc. Neurosci. Abstr., Neuroscience 2012
  • Place of Presentation: New Orleans, USA
  • Year and Date: 2012-10-13
• [Presentation] オプトジェネティクスを用いた光によるウィスカへの触覚刺激 (2012)
  • Author(s): 本城達也, 姫志剛, 石塚徹, 八尾寛
  • Organizer: 第50回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2012-09-22
• [Presentation] Whisker photostimulation induces spike and LFP responses in barrel cortex of ChR2 transgenic rat (2012)
  • Author(s): Honjoh T, Ji Z-G, Ishizuka T, Yawo H
  • Organizer: 第35回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2012-09-18
• [Presentation] Selective expression of channelrhodopsin-2 in the mechanoreceptive neurons in the trigeminal (2012)
  • Author(s): Ji Z-G, Honjoh T, Ishizuka T, Fukazawa Y, Yawo H
  • Organizer: 第35回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2012-09-18
• [Presentation] 中枢神経ネットワークモデルのオプトジェネティクス(光遺伝学) (2012)
  • Author(s): 伊藤信、酒井誠一郎、上野賢一、深澤有吾、太田宏之、石塚徹、虫明元、八尾寛
  • Organizer: 日本薬学会第132年会企画シンポジウム「光が切り拓く新しい薬理学」
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2012-03-30
• [Presentation] Bidirectional and Patterned Photomanipulation of Neuronal activities Using Multi-independent Light Stimulation System (MiLSS) (2012)
  • Author(s): Sakai S, Ueno K, Ishizuka T, Yawo H
  • Organizer: 第89回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 松本
  • Year and Date: 2012-03-29
• [Presentation] 神経細胞活動の光制御 (2011)
  • Author(s): 八尾寛, 石塚徹
  • Organizer: 電子情報通信学会技術研究報告「MEとバイオサイバネティクス」
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2011-11-24
• [Presentation] Resonant rhythms generated by neurons and network-opto-current-clamp with optimized channelrhodopsins (2011)
  • Author(s): Yawo H, Wen L, Sakai S, Wang H, Tanimoto S, Egawa R, Ishizuka T
  • Organizer: 第84回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2011-09-21
• [Presentation] 新世代チャネルロドプシンによるオプトジェネティクス (2011)
  • Author(s): 八尾寛, 石塚徹
  • Organizer: 神経組織の成長・再生・移植研究会第26回学術集会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2011-06-25
• [Presentation] 樹状突起における情報処理ダイナミクスの解明 (2011)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: 新学術領域研究「メゾスコピック神経回路から探る脳の情報処理基盤」平成23年度第1回領域班会議
  • Place of Presentation: 神戸
• [Presentation] 汎用性の高いオプトジェネティクス研究システムの提案 (2011)
  • Author(s): 伊藤信、酒井誠一郎、上野賢一、深澤有吾、太田宏之、石塚徹、虫明元、八尾寛
  • Organizer: 2011年度包括脳ネットワーク夏のワークショップ
  • Place of Presentation: 神戸
• [Presentation] 海馬CA3錐体細胞樹状突起の周波数応答特性:チャネルロドプシンによるオプト-カレントクランプ解析 (2011)
  • Author(s): 酒井誠一郎, 石塚徹, 八尾寛
  • Organizer: 第34回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜
• [Presentation] Optogenetic enhancement of synaptic network of rat hippocampus in vivo (2011)
  • Author(s): Tatsuya Honjoh, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo
  • Organizer: 第34回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜
• [Presentation] Patterned optogenetic activation of neurons and neural circuits : Multi-independent light stimulation system (MiLSS) (2011)
  • Author(s): Ueno K, Sakai S, Honjoh T, Yawo H
  • Organizer: 第34回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜
• [Presentation] 樹状突起における情報処理ダイナミクスの解明 (2011)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: 新学術領域研究「メゾスコピック神経回路から探る脳の情報処理基盤」平成23年度第2回領域班会議
  • Place of Presentation: 熱海
• [Presentation] Patterned optical activation of channelrhodopsin-expressing neurons and neural circuits : Multi-independent light stimulation system (MiLSS) (2011)
  • Author(s): Sakai S, Ueno K, Honjoh T, Ishizuka T, Yawo H
  • Organizer: 8th IBRO World Congress of Neuroscience
  • Place of Presentation: Florence (Itary)
• [Presentation] Optogenetic enhancement of synaptic network of rat hippocampus in vivo (2011)
  • Author(s): Honjoh T, Ishizuka T, Yawo H
  • Organizer: 8th IBRO World Congress of Neuroscience
  • Place of Presentation: Florence (Itary)
• [Presentation] Ectopic projection of hippocampal synapses in pilocarpine-treated mice expressing synaptopHluorin (2011)
  • Author(s): Ito S, Ishizuka T, Yawo H
  • Organizer: NIPS International Workshop 2011 Cutting Edge in Synapse Research
  • Place of Presentation: Okazaki
• [Book] Muscle Optogenetics: Controlling muscle functions with light. In: Muscle Cells (Ed, Benigno Pezzo) (2013)
  • Author(s): Asano T, Ishizuka T, Yawo H
  • Publisher: Nova Science Publisher Inc., Hauppauge NY
• [Book] "Whole-Cell Patch Method" Patch-Clamp Techniques : From Beginning to Advanced Protocols(Ed.Yasunobu Okada)(Springer Protocols Handbooks) (2012)
  • Author(s): Hiromu Yawo
  • Publisher: Springer Verlag, Japan
• [Book] 「ホールセル記録法」最新パッチクランプ実験技術法(岡田泰伸編) (2011)
  • Author(s): 八尾寛
  • Publisher: 吉岡書店
• [Remarks]
  • URL: http://neuro.med.tohoku.ac.jp/
• [Remarks]
  • URL: http://ja.sendaibrain.org/member/yawo/index.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.lifesci.tohoku.ac.jp/research/field_list/neurosciences/t_yawo
• [Remarks]
  • URL: http://neuro.med.tohoku.ac.jp/
• [Remarks]
  • URL: http://ja.sendaibrain.org/member/yawo/index.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.lifesci.tohoku.ac.jp/research/field_list/neurosciences/t_yawo
• [Patent(Industrial Property Rights)] ラット脳内光誘発けいれんモデル (2011)
  • Inventor(s): 大沢伸一郎, 岩崎真樹, 虫明元, 八尾寛, 冨永悌二, 古澤義人
  • Industrial Property Rights Holder: 東北大学
  • Industrial Property Number: 2011-198126
  • Filing Date: 2011-09-12