生体内で単一シナプス活動を可視化する技術の開発と最適化

• Project Area: Mutli-dimensional fluorescence live imaging of cellular function and molecular activity
• Project/Area Number: 25113705
• 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: University of Yamanashi (2014); The University of Tokyo (2013)
• Principal Investigator: 喜多村 和郎 山梨大学, 総合研究部, 教授 (60423159)
• Project Period (FY): 2013-06-28 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥20,020,000 (Direct Cost: ¥15,400,000、Indirect Cost: ¥4,620,000); Fiscal Year 2014: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000); Fiscal Year 2013: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000)
• Keywords: 脳神経科学 / ２光子顕微鏡 / 生体イメージング / 機能プローブ / 神経科学 / 生理学 / ２光子イメージング / シナプス

Outline of Annual Research Achievements

動物個体脳内において、単一ニューロンにおける感覚シナプス入力の大規模解析を可能にすることを目的として、単一シナプス活動を観察するための３次元高速２光子顕微鏡を開発する。前年度までに開発した顕微鏡システムを用いて、１２８×１２８ピクセルのXY解像度で、深さ方向に１０平面を４Hzで操作し、ニューロンの活動を捉えることに成功した。高速走査することにより、シグナル強度の低下が予想されたが、高感度検出器を用いれば十分な信号ー雑音比で観察することが狩野であることを確認した。目標とする３００×３００×５０の解像度で観察できるように、顕微鏡のさらなる改良および最適化を進めているところである。また、得られた画像から単一スパインの活動を抽出するための画像解析プログラムを開発した。スパインの活動に応じた蛍光変化を捉え、半自動的に反応するピクセルを抽出する。未だ目視による確認と手動の修正が必要ではあるが、今後、更にアルゴリズムを改良することで、スパイン抽出の全自動化を目指す。スパインを観察するためには高倍率での観察が必要であるが、高倍率では拍動や動物の動きによる揺れが大きな問題となるため、画像の揺れ補正を含め検討することで、より効率の高いスパイン活動抽出プログラムを完成させる。開発した顕微鏡および解析プログラムを用いて、マウス体性感覚野において感覚シナプス入力の時空間パターンを解析した。感覚刺激により樹状突起上で近傍に位置するスパインが同期した入力を受け取ること、すなわち、樹状突起局所に機能的なクラスターが形成されていることが明らかとなった。さらに、感覚遮断によってこの機能的なクラスターが変化したことから、この機能的結合様式が感覚マップの形成に重要であることが示唆された。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Structure–function relationships between aldolase C/Zebrin II expression and complex spike synchrony in the cerebellum (2015)
  • Author(s): Tsutsumi S, Yamazaki M, Miyazaki T, Watanabe M, Sakimura K, Kano M, Kitamura K
  • Journal Title: J Neurosci. Volume: 35 Issue: 2 Pages: 843
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2170-14.2015
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Rational design of a high-affinity, fast, red calcium indicator R-CaMP2 (2015)
  • Author(s): Inoue M, Takeuchi A, Horigane S, Ohkura M, Gengyo-Ando K, Fujii H, Kamijo S, Takemoto-Kimura S, Kano M, Nakai J, Kitamura K, Bito H
  • Journal Title: Nat Methods Volume: 12 Issue: 1 Pages: 64
  • DOI: 10.1038/nmeth.3185
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Two distinct layer-specific dynamics of cortical ensembles during learning of a motor task. (2014)
  • Author(s): Masamizu Y, Tanaka YR, Tanaka YH, Hira R, Ohkubo F, Kitamura K, Isomura Y, Okada T, Matsuzaki M.
  • Journal Title: Nat. Neurosci Volume: 17 Issue: 7 Pages: 987-994
  • DOI: 10.1038/nn.3739
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Spike timing-dependent selective strengthening of single climbing fibre inputs to Purkinje cells during cerebellar development (2013)
  • Author(s): Yoshinobu Kawamura, Hisako Nakayama, Kouichi Hashimoto, Kenji Sakimura, Kazuo Kitamura and Masanobu Kano.
  • Journal Title: Nat Commun. Volume: 4 Issue: 1 Pages: 2732-2732
  • DOI: 10.1038/ncomms3732
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Relationship between the local structure of orientation map and the strength of orientation tuning of neurons in monkey V1: a 2-photon calcium imaging study (2013)
  • Author(s): Ikezoe, K., Mori, Y., Kitamura, K., Tamura, H., Fujita, I.
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Volume: 33(42) Issue: 42 Pages: 16818-16827
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2209-13.2013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Disruption of cerebellar microzonal organization in GluD2 (Glurδ2) knockout mouse (2013)
  • Author(s): Hashizume M, Miyazaki T, Sakimura K, Watanabe M, Kitamura K, Kano M
  • Journal Title: Front Neural Circuits Volume: 7 Issue: JUL Pages: 130-130
  • DOI: 10.3389/fncir.2013.00130
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional labeling of neurons and their projections using the synthetic activity-dependent promoter E-SARE (2013)
  • Author(s): Kawashima T, Kitamura K, Suzuki K, Nonaka M, Kamijo S, Takemoto-Kimura S, Kano M, Okuno H, Ohki K, Bito H.
  • Journal Title: Nature Methods Volume: 10 Issue: 9 Pages: 889
  • DOI: 10.1038/nmeth.2559
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonlinear Decoding and Asymmetric Representation of Neuronal Input Information by CaMKIIα and Calcineurin (2013)
  • Author(s): Fujii H, Inoue M, Okuno H, Sano Y; Takemoto-Kimura S, Kitamura K, Kano M, Bito H.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 3 Issue: 4 Pages: 978
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2013.03.033
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Calcium-dependent regulation of climbing fibre 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: 591 Issue: 13 Pages: 3151
  • DOI: 10.1113/jphysiol.2012.248252
  • 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
• [Presentation] Experience-Dependent Clustering of Sensory Synaptic Inputs in the somatosensory cortex (2015)
  • Author(s): Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
  • Organizer: 第９２回日本生理学会
  • Place of Presentation: 兵庫県神戸市神戸国際会議場
  • Year and Date: 2015-03-23
• [Presentation] Two-photon imaging of neural activity at single neurons and single synapses: Optical physiology in vivo (2014)
  • Author(s): Kazuo Kitamura
  • Organizer: 第３７回日本神経科学学会
  • Place of Presentation: 神奈川県横浜市パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-09-12
• [Presentation] Highly sensitive calcium imaging of neural activity in vitro and in vivo with a new fluorescent calcium indicator, Cal-520 (2014)
  • Author(s): Atsuya Takeuchi, Mayumi Tada, Miki Hashizume, Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
  • Organizer: 第３７回日本神経科学学会
  • Place of Presentation: 神奈川県横浜市パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-09-11
• [Presentation] Impairment of cerebellar microzonal organization by aberrant climbing fiber to Purkinje cell wiring in GluRδ2 (GluD2) knockout mouse. (2013)
  • Author(s): Miki Hashizume, Taisuke Miyazaki, Kenji Sakimura, Masahiko Watanabe, Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
  • Organizer: Neuroscience2013
  • Place of Presentation: San Diego, USA
• [Presentation] Fine scale correspondence between the cerebellar microzones and the aldolase C compartments in mice. (2013)
  • Author(s): Shinichiro Tsutsumi, Maya Yamazaki, Taisuke Miyazaki, Masahiko Watanabe, Kenji Sakimura, Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
  • Organizer: Neuroscience2013
  • Place of Presentation: San Diego, USA
• [Presentation] Selective strengthening of single climbing fiber inputs to Purkinje cells during postnatal cerebellar development in vivo. (2013)
  • Author(s): Yoshinobu Kawamura, Hisako Nakayama, Kouichi Hashimoto, Kenji Sakimura, Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
  • Organizer: Neuroscience2013
  • Place of Presentation: San Diego, USA
• [Presentation] Postnatal desynchronization of climbing fiber responses in Purkinje cell populations of the developing cerebellum. (2013)
  • Author(s): Jean -M. Good, Taisuke Miyazaki, Kazuo Kitamura, Masahiko Watanabe, Kenji Sakimura, Masanobu Kano
  • Organizer: Neuroscience2013
  • Place of Presentation: San Diego, USA
• [Presentation] 光で探る脳の活動 ～シナプスからニューロンまで～
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Organizer: 第22回日本バイオイメージング学会学術集会公開講座
  • Place of Presentation: 東京
  • Invited
• [Presentation] 小脳皮質回路の機能構築と運動制御・運動記憶．
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Organizer: 第2回記憶回路研究会
  • Place of Presentation: 岡崎
• [Presentation] 光で探る脳のはたらき～シナプスから回路へ～
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Organizer: 量子エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: 軽井沢