グリア細胞操作を起点とする神経活動変化と伝播様式解析

• Project Area: Brain Environment
• Project/Area Number: 24111551
• 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: Keio University
• Principal Investigator: 田中 謙二 慶應義塾大学, 医学部, 特任准教授 (30329700)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000); Fiscal Year 2013: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2012: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
• Keywords: 神経科学 / 解剖学 / グリア / オプトジェネティクス / fMRI

Research Abstract

グリア細胞は神経外環境の構造的な要素であり、神経細胞-アストロサイト相互作用は神経外環境の機能的な要素である。グリア細胞の活動変化は細胞外環境の変化ほかならず、この変化によって神経活動、ひいては脳全体の活動が変化する。この一連の変化をとらえるために、グリア細胞だけに摂動を加える実験系を構築した。さらに、グリア選択的摂動が、どのような結果をもたらすか検討した。
グリア細胞選択的な摂動は、光遺伝学的手法を用いた。光感受性の高いチャネルロドプシンC128S変異体を用いたことによって、頭蓋骨越しに摂動を加えることが可能になった。このことによって、脳実質に外傷を加えることなくグリア細胞に摂動を加えることが可能になった。
連携研究者　松井らの研究によって、チャネルロドプシンの開口時間に比例してグルタミン酸の放出とKイオンの放出がおこることが分かったので、光照射時間を調節してアストロサイトに摂動を加えた。5秒間の青色光照射によって、マウスが身をよじることが再現良く観察された。0.5秒間の照射では外見上変化は見られなかった。前者の場合、一過性の過興奮と引き続くspreading depressionが再現良く観察され、後者の場合、特段の神経活動変化は観察されなかった。前者の場合、脳血管周囲の侵害刺激の入力先である三叉神経脊髄路核においてc-fosの誘導が認められた。以上の結果から、5秒間のアストロサイト刺激は、新しい片頭痛モデルと考えられた。一方の0.5秒間のアストロサイト刺激はspreading depressionを起こすことはないが、fMRIで観察すると既存の神経連絡では説明のつかない部位へBOLD信号が広がることが分かった。
以上の結果から、グリア細胞を起点とする脳活動変化が神経活動や血流応答に変換、伝播される様式を明らかにすることができた。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Optogenetic countering of glial acidosis suppress glial glutamate release and ischemic brain damage. (2014)
  • Author(s): Beppu K, Sasaki T, Tanaka KF, Yamanaka A, Fukazawa Y, Shigemoto R, Matsui K:
  • Journal Title: Neuron Volume: 81 Pages: 314-320
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 光遺伝学に有用な遺伝子改変マウス オプトジェネティクスを用いた神経機能操作の現在地～光で行動をコントロールする～ (2014)
  • Author(s): 田中 謙二
  • Journal Title: 細胞工学 Volume: 33 Pages: 260-263
• [Journal Article] Influence of inhibitory serotonergic inputs to orexin/hypocretin neurons on the diurnal rhythm of sleep and wakefulness. (2013)
  • Author(s): Tabuchi S, Tsunematsu T, Kilduff TS, Sugio S, Tanaka KF, Takahashi S, Tominaga M, Yamanaka A
  • Journal Title: Sleep Volume: 36(9) Issue: 9 Pages: 1391-1404
  • DOI: 10.5665/sleep.2972
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Long-lasting silencing of orexin/hypocretin neurons using archaerhodopsin induces slow-wave sleep in mice. (2013)
  • Author(s): Tsunematsu T, Tabuchi S, Tanaka KF, Boyden ES, Tominaga M, Yamanaka A
  • Journal Title: Behavioural Brain Research Volume: 255 Pages: 64-74
  • DOI: 10.1016/j.bbr.2013.05.021
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In vivoでグリアを見る・操作するための機能遺伝子発現方法 (2013)
  • Author(s): 田中 謙二、高田 則雄、三村 將
  • Journal Title: 実験医学 Volume: 31 Pages: 1736-1741
• [Journal Article] オプトジェネティクスと精神医学. (2013)
  • Author(s): 田中 謙二、高田 則雄、三村 將
  • Journal Title: 精神神経学雑誌 Volume: 115 Pages: 1211-1215
• [Journal Article] The manipulation of neural and cellular activities by ectopic expression of melanopsin. (2013)
  • Author(s): Koizumi A, Tanaka KF, Yamanaka A
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: 75(1) Issue: 1 Pages: 3-5
  • DOI: 10.1016/j.neures.2012.07.010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ectopic expression of melanopsin in orexin/hypocretin neurons enables control of wakefulness of mice in vivo by blue light (2013)
  • Author(s): Tsunematsu T, Tanaka KF, Yamanaka A, Koizumi A
  • Journal Title: Neurosci Res Volume: 75(1) Issue: 1 Pages: 23-28
  • DOI: 10.1016/j.neures.2012.07.005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Olig2-lineage cells preferentially differentiate into oligodendrocytes but their processes degenerate at the chronic demyelinating stage of proteolipid protein-overexpressing mouse. (2013)
  • Author(s): Shimizu T
  • Journal Title: J Neurosci Res Volume: 91 Issue: 2 Pages: 178-186
  • DOI: 10.1002/jnr.23153
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of optogenetically activated striatal medium spiny neurons by Npas4 expression (2012)
  • Author(s): Bepari AK, Sano H, Tamamaki N, Nambu A, Tanaka KF, Takebayashi H
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 7(12) Issue: 12 Pages: 140-140
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0052783
  • 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] Preinspiratory calcium rise in putative pre-Botzinger complex astrocytes (2012)
  • Author(s): Y. Okada, T. Sasaki. Y. Oku, N. Takahashi, M. Seki, S. Ujita, K. Tanaka, N. Matsuki, Y. Ikegaya
  • Journal Title: Journal of Physiology Volume: 590 Issue: 19 Pages: 4933-4944
  • DOI: 10.1113/jphysiol.2012.231464
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Shared Synaptic Pathophysiology in Syndromic and Nonsyndromic Rodent Models of Autism (2012)
  • Author(s): Baudouin SJ
  • Journal Title: Science Volume: 338 Issue: 6103 Pages: 128-132
  • DOI: 10.1126/science.1224159
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Serotonin receptor expression along the dorsal-ventral axis of mouse hippocampus. (2012)
  • Author(s): Tanaka KF
  • Journal Title: Philos Trans R Soc Lond B Biol Volume: 367 Issue: 1601 Pages: 2395-2401
  • DOI: 10.1098/rstb.2012.0038
  • 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] Mitral cells in the olfactory bulb are mainly excited through a multistep signaling path. (2012)
  • Author(s): Gire DH
  • Journal Title: J Neurosci. Volume: 32 Issue: 9 Pages: 2964-2975
  • DOI: 10.1523/jneurosci.5580-11.2012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Increased astrocytic ATP release results in enhanced excitability of the hippocampus. (2012)
  • Author(s): Lee HU, Yamazaki Y, Tanaka KF, Furuya K, Sokabe M, Hida H, Takao K, Miyakawa T, Fujii S, Ikenaka K.
  • Journal Title: These^† authors contributed equally to this work Volume: 61 Issue: 2 Pages: 210-224
  • DOI: 10.1002/glia.22427
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gene induction in mature oligodendrocytes with a PLP-tTA mouse line (2011)
  • Author(s): Inamura N, et al
  • Journal Title: Genesis Volume: (online published) Issue: 5 Pages: 424-428
  • DOI: 10.1002/dvg.20808
  • Peer Reviewed
• [Presentation] cortical spreading depressionがどこで止まるか (2014)
  • Author(s): 吉田 慶多朗、田中 謙二
  • Organizer: 第19回グリアクラブ
  • Place of Presentation: 新潟
• [Presentation] オプトジェネティクス (2014)
  • Author(s): 田中 謙二
  • Organizer: 第91回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 鹿児島
  • Invited
• [Presentation] てんかん原性域の局所温度上昇とTPRV4wo介した病態悪化 (2014)
  • Author(s): 柴崎 貢志、田中 謙二、石崎 泰樹
  • Organizer: 第91回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 鹿児島
• [Presentation] オプトジェネティクスとfMRIを融合させたグリアニューロン相互作用の解析 (2014)
  • Author(s): 田中謙二、吉田慶多朗、徐明、疋島啓吾、岡野栄之、三村將、高田則雄
  • Organizer: 第87回日本薬理学会年会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Invited
• [Presentation] In vivo Ca2+ imaging of vascular smooth muscle cells in cerebral cortex (2014)
  • Author(s): Nami Kitajima, Hiroshi Sekiya, Kazunori Kanemaru, Kenji F. Tanaka, Masamitsu Iino
  • Organizer: 第87回日本薬理学会年会
  • Place of Presentation: 仙台
• [Presentation] Npas4 mRNA expression can trace photoactivation of striatal medium spiny neurons at the cellular level. (2013)
  • Author(s): 竹林 浩秀
  • Organizer: 第118回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Place of Presentation: 香川
  • Year and Date: 2013-03-28
• [Presentation] 光遺伝学を用いたチャネルロドプシン発現アストロサイトの活性化は神経活動を亢進させる (2013)
  • Author(s): 吉田 慶多朗
  • Organizer: 第90回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 東京 江戸川区
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] 精神科領域に重要な投射神経の発火をコントロールするマウスの開発 (2013)
  • Author(s): 田中 謙二
  • Organizer: 第90回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 東京 江戸川区
  • Year and Date: 2013-03-27
  • Invited
• [Presentation] オプトジェネティクスと精神医学 (2013)
  • Author(s): 田中 謙二
  • Organizer: 第109回日本精神神経学会学術総会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Invited
• [Presentation] 一度創って5度おいしいマウス (2013)
  • Author(s): 田中 謙二
  • Organizer: 包括脳ネットワーク夏のワークショップ
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Invited
• [Presentation] Expanding the repertoire of optogenetically targeted cells with an enhanced gene expression system. (2013)
  • Author(s): Kenji Tanaka
  • Organizer: Optogenetics-2013 Thema Conference
  • Place of Presentation: Boston
  • Invited
• [Presentation] 光操作による細胞機能制御 (2012)
  • Author(s): 田中 謙二
  • Organizer: 光操作研究会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2012-09-27
• [Presentation] 発達期プルキンエ細胞体における登上線維シナプス排除機構 (2012)
  • Author(s): 宮崎 太輔
  • 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] ChR2-induced astrocytic depolarization augments neuronal activities in vivo. (2012)
  • Author(s): 高田 則雄
  • Organizer: APRU-BMAP 2012/FIRST 2012シンポジウム「脳/心の進化と疾患（Diseases and Evolution of Brain and Mind）」
  • Place of Presentation: 東京 港区
  • Year and Date: 2012-08-29
• [Presentation] グリアが起点となる脳内環境変化
  • Author(s): 田中 謙二
  • Organizer: Neuro2013
  • Place of Presentation: 京都
  • Invited
• [Presentation] ごきげんの解明に必要な技術:オプトジェネティクス
  • Author(s): 田中 謙二、高田 則雄
  • Organizer: The 8th HOKKAIDO ANTI AGING CLUB2014
  • Place of Presentation: 北海道
  • Invited
• [Presentation] 疾患モデルマウス作成に有効なSTOPtetO ノックイン（FAST システム）とその応用例
  • Author(s): 田中謙二
  • Organizer: 難治疾患共同研究拠点シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] グリア細胞の光操作
  • Author(s): 田中 謙二、吉田 慶多朗、Ming Xu
  • Organizer: 第24回マイクロダイアリシス研究会
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 大脳皮質における血管平滑筋Ca2+イメージング
  • Author(s): 北島 奈美、関谷 敬、金丸 和典、田中 謙二、飯野 正光
  • Organizer: 筋生理の集い
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 蛍光Caプローブを発現するトランスジェニックマウスを用いた脳血流制御機構の可視化解析
  • Author(s): 関谷敬、北島奈美、佐藤要、田中謙二、飯野正光
  • Organizer: 第23回日本循環薬理学会
  • Place of Presentation: 福岡
• [Presentation] グリアの光操作
  • Author(s): 田中 謙二
  • Organizer: 第2回 Neurovascular Unit研究会
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] オプトジェネティクスの精神科学への応用
  • Author(s): 田中 謙二
  • Organizer: 第16回 神経科学領域における分子モニタリングシンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Invited
• [Remarks] 生理学研究所 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
  • URL: http://www.nips.ac.jp/contents/release/entry/2012/07/post-219.html