小脳皮質小規模回路の作動原理とその生理的意義

• Project Area: Mesoscopic neurocircuitry: towards understanding of the functional and structural basis of brain information processing
• Project/Area Number: 23115504
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 喜多村 和郎 東京大学, 医学(系)研究科(研究院), 准教授 (60423159)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2012: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2011: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
• Keywords: 神経科学 / 生理学 / ２光子イメージング / プルキンエ細胞 / 微小帯域 / 運動 / 2光子イメージング

Outline of Annual Research Achievements

微小帯域活動の可視化
aldolase Cの発現をマーカーとした遺伝子改変マウスを用いて、麻酔下のマウスで、プルキンエ細胞における登上線維応答と微小帯域の関係を単一ニューロンレベルで明らかにすることを目的とした実験を前年度に引き続き行った。まず、Multicell bolus loading（MCBL）法によりカルシウム色素を小脳皮質に導入し、プルキンエ細胞の自発活動を２光子イメージングにより観察した。その結果、プルキンエ細胞活動の同期性とaldolase C発現をマーカーとした微小帯域が高い相関を示し、その空間精度は1細胞レベルで精密に制御されていることが明らかとなった。微小帯域と機能の関係を明らかにするため、小脳皮質の様々な領域においてイメージングを行った。小脳半球第二脚には６つのaldolase C陽性帯域が存在するが、一部を除いて、aldolase C帯域の境界とプルキンエ細胞活動同期性の境界がよく一致していた。境界の不一致が認められた帯域は、麻酔下でははたらかない機能（例えば、運動）を担っていると考えられる。また、プルキンエ細胞の活動のみを抽出するため、プルキンエ細胞特異的に発現するレンチウイルスベクターにカルシウムセンサーGCaMPを組み込み、in vivoでマウス小脳にインジェクションして発現させた。これにより、自発性登上線維入力によると思われるカルシウム信号を捉えることに成功していたが、カルシウム指示薬を使用した場合と比較して、プルキンエ細胞の反応性が著しく低下するという問題があった。次世代の新規プローブを用い、発現系の改良を行ったところ、プルキンエ細胞集団の活動を再現性よく観察することが可能となった。

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] Calcium- dependent regulation of climbing fiber synapse elimination during postnatal cerebellar development. (2013)
  • Author(s): Kano, M., Nakayama, H., Hashimoto, K., Kitamura, K., Sakimura, K. Watanabe, M.
  • Journal Title: J. Physiol. Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatiotemporal dynamics of functional clusters of neurons in the mouse motor cortex during a voluntary movement (2013)
  • Author(s): Hira R, Okubo F, Ozawa K, Isomura Y, KHamura K, Kano M, Kasai H, Matsuzaki M
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Volume: 33 Issue: 4 Pages: 1377
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2550-12.2013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dendritic calcium signaling in cerebellar Purkinje cell (2012)
  • Author(s): Kitamura K
  • Journal Title: Neural Networks Volume: 47 Pages: 11
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2012.08.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] GABAergic Inhibition Regulates Developmental Synapse Elimination in the Cerebellum (2012)
  • Author(s): Nakayama H
  • Journal Title: Neuron Volume: 74 Issue: 2 Pages: 384
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2012.02.032
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Locally synchronized synaptic inputs (2012)
  • Author(s): Takahashi N, Kitamura K, Matsuo N, Mayford M, Kano M, Matsuki N, Ikegaya Y
  • Journal Title: Science Volume: 335 Issue: 6066 Pages: 353-356
  • DOI: 10.1126/science.1210362
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 小脳プルキンエ細胞樹状突起活動のin vivoイメージング (2012)
  • Author(s): 喜多村和郎, 橋本浩一, 狩野方伸
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 63 Pages: 26-33
• [Journal Article] Dendritic calcium signaling triggered by spontaneous and sensory-evoked climbing fiber input to cerebellar Purkinje cells in vivo (2011)
  • Author(s): Kitamura, K. & Hausser, M
  • Journal Title: J. Neurosci Volume: 31 Issue: 30 Pages: 10847-10858
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2525-10.2011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Postsynaptic P/Q-type Ca²⁺ channel in Purkinje cell mediates synaptic competition and elimination in developing cerebellum (2011)
  • Author(s): Hashimoto, K.; Tsujita, M.; Miyazaki, T., et al
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: 108 Issue: 24 Pages: 9987
  • DOI: 10.1073/pnas.1101488108
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In vivo two-photon uncaging of glutamate revealing the structure-function relationships of dendritic spines in the neocortex of adult mice (2011)
  • Author(s): Noguchi, J., Nagaoka, A., Watanabe, S., Ellis-Davies, G.C.R., Kitamura, K., Kano, M., Matsuzaki, M. & Kasai H.
  • Journal Title: J.Physiol. Volume: 589 Issue: 10 Pages: 2447
  • DOI: 10.1113/jphysiol.2011.207100
  • Peer Reviewed
• [Presentation] マウスバレル皮質における感覚シナプス入力の可視化 (2013)
  • Author(s): 喜多村和郎、狩野方伸
  • Organizer: 第90回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] マウス小脳における登上線維応答の同期性とAldolaseC発現パターンとの関連 (2013)
  • Author(s): 堤新一郎、多田真弓、崎村建司、喜多村和郎、狩野方伸
  • Organizer: 第90回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] Climbing fiber network refinement and desynchronization of Purkinje cell population activity during postnatal cerebellar development. (2013)
  • Author(s): Jean- Marc Good, Kazuo Kitamura, Kenji Sakimura, Masanobu Kano
  • Organizer: 第90回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] Visualization of an active ensemble of cortical neurons in vivo using a novel activity- dependent promoter E- SARE (2012)
  • Author(s): T. KAWASHIMA, K. KITAMURA, K. OHKI, K. SUZUKI, M. NONAKA, S. KAMIJO, S. TAKEMOTO- KIMURA, M. KANO, H. OKUNO, H. BITO
  • Organizer: Neuroscience 2012
  • Place of Presentation: New Orleans, USA
  • Year and Date: 2012-10-13
• [Presentation] Postnatal climbing fiber synapse remodeling desynchronizes population activity of Purkinje cells in developing cerebellum (2012)
  • Author(s): Jean- Marc Good, Kazuo Kitamura, Kenji Sakimura, Masanobu Kano
  • 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] 新規活動依存的プロモーターE- SAREを用いた、大脳皮質における機能的回路の同定 (2012)
  • Author(s): 川島 尚之、喜多村 和郎、大木 研一、鈴木 敢三、 野中 美応、上條 諭志、竹本 さやか、狩野 方伸、 奥野 浩行、尾藤 晴彦
  • 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] Heterogeneous organization of individual synaptic inputs in the mouse barrel cortex. (2012)
  • Author(s): Kazuo Kitamura, Yuji Ikegaya, Masanobu Kano
  • Organizer: FENS Forum2012
  • Place of Presentation: Barcelona, Spain
  • Year and Date: 2012-07-14
• [Presentation] Spatial And Temporal Structure Of Cortical Microcircuit Activity For Generating Voluntary Movement (2012)
  • Author(s): Hira R., Ohkubo F., Ozawa K., Isomura Y., Kitamura K., Kano M., Kasai H. Matsuzaki M.
  • Organizer: FENS Forum2012
  • Place of Presentation: Barcelona, Spain
  • Year and Date: 2012-07-14
• [Presentation] 生体内2光子イメージングによる単一ニューロン・単一シナプスの活動計測. (2012)
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Organizer: 第2回睡眠研究会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2012-07-05
• [Presentation] 大脳皮質における感覚シナプス入力の可視化. (2012)
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Organizer: 生理研研究会「シナプス可塑性の動作原理~分子から行動まで~」
  • Place of Presentation: 岡崎
  • Year and Date: 2012-06-14
• [Presentation] Two-photon imaging of neuronal population activities in cerebellar cortex (2011)
  • Author(s): Kazuo Kitamura
  • Organizer: 分子生物学会(ワークショップ)
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川県)
  • Year and Date: 2011-12-13
• [Presentation] Heterogeneous organization of sensory synaptic inputs in the mouse barrel cortex (2011)
  • Author(s): Kazuo Kitamura
  • Organizer: 生理研国際研究集会
  • Place of Presentation: 岡崎カンファレンスセンター(愛知県)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-12-09
• [Presentation] Desynchronization of cerebellar Purkinje cell population activity during postnatal development (2011)
  • Author(s): Jean-Marc Good, Naoki Hidaka, Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
  • Organizer: Neuro2011
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川県)
  • Year and Date: 2011-09-14
• [Presentation] Enhanced synchrony of climbing fiber-induced Ca2+ signaling in cerebellar Purkinje cells caused by elevated synchronous activity of inferior olivary neurons in GluD2 (GluR δ 2) knockout mouse (2011)
  • Author(s): Miki Hashizume, Kazuo, Kitamura, Kenji Sakimura, Masanobu Kano
  • Organizer: Neuro2011
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川県)
  • Year and Date: 2011-09-14
• [Presentation] Two-photon imaging of Purkinje cell dendritic activity in vivo (2011)
  • Author(s): Kazuo Kitamura
  • Organizer: IBRO World Congress
  • Place of Presentation: Florence, Italy(シンポジウム)
  • Year and Date: 2011-07-16
• [Book] 脳神経科学イラストレイテッド (2013)
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Total Pages: 8
  • Publisher: 羊土社
• [Book] Patch Clamp Techniques (2012)
  • Author(s): Kazuo Kitamura
  • Total Pages: 11
  • Publisher: Springer
• [Book] 第12章in vivoイメージングパッチ法(最新パッチクランプ実験技術法、岡田泰伸編) (2011)
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Publisher: 吉岡書店