光操作法による初期視覚回路特性の抽出と書き換えに伴う構造変化の解析

• Project Area: Mesoscopic neurocircuitry: towards understanding of the functional and structural basis of brain information processing
• Project/Area Number: 23115521
• 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: National Institute for Physiological Sciences
• Principal Investigator: 松井 広 生理学研究所, 大脳皮質機能研究系, 准教授 (20435530)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2012: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2011: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 脳・神経 / 神経科学 / 生理学

Outline of Annual Research Achievements

神経細胞間をつなぐシナプスにおける信号伝達効率を調整することで、情報の流れ方を変え、既存の配線を使いつつも、環境への適応・学習・記憶といった脳機能が達成されていると考えられる。ところが、脳内にどんな回路が実装されていて、個々のシナプスの可塑性がどのように進行するのかに関して、ほとんど検証が進んでいない。本研究では、まず、電気生理学・形態学・シミュレーションの全ての面で精緻な解析のしやすいcalyx of Heldシナプスを対象とした。シナプスにおける信号伝達特性を左右する重要な因子として、シナプス間隙へと放出されるグルタミン酸分子の数、および、細胞間隙におけるグルタミン酸の拡散係数が挙げられるが、この二つのパラメーターを求めることで、シナプス間隙におけるグルタミン酸の振る舞いを完全に表現することに成功した。続いて、網膜－外側膝状体－皮質へと伝わる初期視覚過程に関わる、メゾスコピック回路を対象とし、その特性を抽出することに挑戦。視神経線維一本を立て続けに刺激すると、応答が急速に抑制されることを見出した。細胞間隙における伝達物質拡散のシミュレーションを通して、シナプスから溢れ出た伝達物質が近隣のシナプスの受容体を脱感作させることで応答が抑制されるということが明らかになった。続いて、特定の脳細胞の活動を光操作することで、メゾ回路の書き換えを促し、回路特性の変化を生理学的に解析するという課題に取り組んだ。このために、神経やグリア細胞の活動を特異的に光で制御する方法を開発した。当初、目標としていた初期視覚回路の書き換えには成功しなかったが、光操作技術を用い、各種脳細胞間の信号伝達を操作することを通して、小脳メゾ回路におけるシナプス可塑性を誘導することに成功。個々の細胞間相互作用における変化が、メゾ回路の動作変更を誘導し、眼球運動学習といった個体全体の機能へ影響する様が評価できた。

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] Evaluation of glutamate concentration transient in the synaptic cleft of the rat calyx of Held (2013)
  • Author(s): Budisantoso T, Harada H, Kamasawa N, Fukazawa Y, Shigemoto R Matsui K
  • Journal Title: Journal of Physiology Volume: 591 Issue: 1 Pages: 219-239
  • DOI: 10.1113/jphysiol.2012.241398
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantitative localization of Ca(v)2.1 (P/Q-type) voltage-dependent calcium channels in Purkinje cells: somatodendritic gradient and distinct somatic coclustering with calcium-activated potassium channels (2013)
  • Author(s): Indriati DW, Kamasawa N, Matsui K, Meredith AL, Watanabe M, Shigemoto R
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Volume: 33 Issue: 8 Pages: 3668-3678
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2921-12.2013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] マウスの心の光操作－脳細胞活動と心の機能の因果関係を探る (2013)
  • Author(s): 松井 広
  • Journal Title: BRAIN and NERVE Volume: 65
• [Journal Article] 心に占めるグリア細胞の役割－光操作技術のもたらすパラダイム・シフト (2013)
  • Author(s): 松井 広
  • Journal Title: 実験医学 Volume: -
• [Journal Article] Thin dendrites of cerebellar interneurons confer sublinear synaptic integration and a gradient of short-term plasticity (2012)
  • Author(s): Abrahamsson T, Cathala L, Matsui K, Shigemoto R, Digregorio DA
  • Journal Title: Neuron Volume: 73 Issue: 6 Pages: 1159-1172
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2012.01.027
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantitative regional and ultrastructural localization of the Cav2.3 subunit of R-type calcium channels in mouse brain (2012)
  • Author(s): Parajuli L, Nakajima C, Kulik A, Matsui K, Schneider T, Shigemoto R, Fukazawa Y
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Volume: 32 Issue: 39 Pages: 13555-13567
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1142-12.2012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Virus-mediated swapping of zolpidem-insensitive with zolpidem-sensitive GABAA receptors in cortical pyramidal cells (2012)
  • Author(s): Sumegi M, Fukazawa Y, Matsui K, Lorincz A, Eyre MD, Nusser Z, Shigemoto R
  • Journal Title: Journal of Physiology Volume: 590 Issue: 7 Pages: 1517-1534
  • DOI: 10.1113/jphysiol.2012.227538
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Expanding the repertoire of optogenetically targeted cells with an enhanced gene expression system (2012)
  • Author(s): K. Tanaka, K. Matsui, T. Sasaki. H. Sano, S. Sugio, K. Fan, K. Ikenaka, R. Hen, J. Nakai, Y. Yanagawa, H. Hasuwa, K. Deisseroth, A. Yamanaka
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 2 Issue: 2 Pages: 397-406
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2012.06.011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Application of an optogenetic byway for perturbing neuronal activity via glialphotostimulation. (2012)
  • Author(s): T. Sasaki. K. Beppu, K. Tanaka, Y. Fukazawa, R. Shigemoto, K. Matsui
  • Journal Title: Proceedings National Academy of Sciences of the USA Volume: 109 Issue: 50 Pages: 20720-20725
  • DOI: 10.1073/pnas.1213458109
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Kv4.2 potassium channels segregate to extrasynaptic domains in amygdala intercalated neurons and influence intrasynaptic NMDA receptor NR2B subunit expression (2012)
  • Author(s): Kaufmann WA, Matsui K, Jeromin A, Nerbonne J, Ferraguti F
  • Journal Title: Brain Structure and Function Volume: - Issue: 5 Pages: 1-18
  • DOI: 10.1007/s00429-012-0450-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 生きたままのマウスの脳細胞を光で操作する技術の開発 (2012)
  • Author(s): 松井 広
  • Journal Title: OplusE Volume: 396 Pages: 1085-1090
• [Journal Article] 視床：単なる中継核ではない‐生理学的基礎 (2012)
  • Author(s): 松井 広
  • Journal Title: Clinical Neuroscience Volume: 31 Pages: 24-26
• [Journal Article] Mechanisms underlying signal filtering at a multi-synapse contact (2012)
  • Author(s): Budisantoso T, Matsui K, Kamasawa N, Fukazawa Y, Shigemoto R
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Volume: 32 Issue: 7 Pages: 2357-2376
  • DOI: 10.1523/jneurosci.5243-11.2012
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Exploring the causal relationship between glial activity and mind (2013)
  • Author(s): 松井 広
  • Organizer: 日本生理学会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀（東京）
• [Presentation] Neuronal activity and behavior driven by astrocytes (2012)
  • Author(s): 松井 広
  • Organizer: 日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県）
• [Presentation] Estimation of the concentration and the time course of glutamate in the synaptic cleft (2012)
  • Author(s): Timotheus Budisantoso
  • Organizer: 日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県）
• [Presentation] Neuronal activity and behavior driven by astrocytes (2012)
  • Author(s): Ko Matsui
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: New Orleans, USA
• [Presentation] High resolution analysis of presynaptic protein distribution patterns with freeze‐fracture replica immunolabeling. (2012)
  • Author(s): Harada Harumi
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: New Orleans, USA
• [Presentation] Physiological impact of limited transmitter diffusion at a multi-synapsecontact (2011)
  • Author(s): Ko Matsui
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: Washington DC (USA)
  • Year and Date: 2011-11-13
• [Presentation] 光による記憶操作の可能性 (2011)
  • Author(s): 松井広
  • Organizer: 生理研研究会「神経活動の光操作(行動制御への応用)」
  • Place of Presentation: 生理学研究所(愛知県)
  • Year and Date: 2011-09-29
• [Presentation] 脳回路光摂動法による記憶メカニズムの解明 (2011)
  • Author(s): 松井広
  • Organizer: 生理学研究所研究会「グリア細胞機能から迫る脳機能解明」
  • Place of Presentation: 生理学研究所(愛知県)
  • Year and Date: 2011-06-18
• [Book] オプトジェネティクス―光工学と遺伝学による行動抑制技術の最前線 (2013)
  • Author(s): 神取 秀樹
  • Total Pages: 288
  • Publisher: エヌ・ティー・エス
• [Remarks] 目から入ってくる溢れるような視覚情報を "くっきり"させて脳に伝える仕組みの一端を解明
  • URL: http://www.nips.ac.jp/contents/release/entry/2012/02/post-202.html
• [Remarks] 生きたままマウスの体の中の特定の細胞を狙い、光操作できる遺伝子改変マウスを開発
  • URL: http://www.nips.ac.jp/contents/release/entry/2012/07/post-219.html
• [Remarks] 脳の中のグリア細胞の働きで、運動学習が加速することを発見
  • URL: http://www.nips.ac.jp/contents/release/entry/2012/11/post-225.html