低侵襲生体内グリア活動の可視化による神経からグリアへの信号伝達経路の解析

• Project Area: Mesoscopic neurocircuitry: towards understanding of the functional and structural basis of brain information processing
• Project/Area Number: 25115729
• 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: 松井 広 東北大学, 医学(系)研究科(研究院), 准教授 (20435530)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000); Fiscal Year 2014: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2013: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: 脳科学 / グリア細胞 / カルシウム / 細胞内イオン濃度 / 光遺伝学

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、小脳および網膜標本を用いて、神経活動がどのようにして、グリアまで伝達されるのかを調べた。小脳プルキニエ細胞には、平行線維・登上線維が興奮性シナプスを形成しているが、このシナプスを取り囲むようにバーグマングリア細胞は微細突起を伸ばしている。本研究者は、平行・登上線維からバーグマングリア細胞に面した箇所で、異所的にグルタミン酸の放出が生じ、バーグマングリアのAMPA受容体を活性化することで、神経からグリアへのミリ秒単位の素早い信号伝達を可能にしていることを示してきた。引き続き、グリアには秒単位のゆっくりとした応答が起こるが、今回、これは神経から放出されたATPに対する反応であることが示された。同様に、網膜のグリア細胞、ミューラー細胞からもATPに対するCa応答が記録された。
このように、これまで、神経刺激によって惹起されるグリア細胞の反応を主にCa応答という形で現れる。そこで、Caに応じてFRET現象が生じて蛍光が変化するタンパク質を、グリア細胞特異的に発現する遺伝子改変マウスを作製し、低侵襲でのCaイメージングが可能となった。この動物を開発する段階での研究に参加し、その後、共同研究者らは、できてきた動物を使って生体内でのグリア細胞の微細突起で生じるCa応答を記録することに成功した。
また、最近の我々の研究により、グリア細胞内のCaだけではなく、pHが、グリア細胞機能にとって重要であることが分かってきた。しかし、生理的な条件下で、どの程度のpH変化が見られるのかが明らかでない。そこで、上と同様の仕組みを使って、グリア細胞内に特異的にpH感受性の蛍光タンパク質を発現するマウスを作製することも行った。過剰な神経活動にともなって放出されるグルタミン酸を回収する際には、グリア細胞内が酸性化される可能性がある。そこで、てんかんなどの過度な神経活動が生じる際の、グリア細胞内pHを計測することに挑戦している。

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] Nanoscale distribution of presynaptic Ca2+ channels and its impact on vesicular release during development. (2015)
  • Author(s): Nakamura Y, Harada H, Kamasawa N, Matsui K, Rothman JS, Shigemoto R, Silver RA, DiGregorio DA, Takahashi T
  • Journal Title: Neuron Volume: 85 Issue: 1 Pages: 145-158
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2014.11.019
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In vivo visualization of subtle, transient and local activity of astrocytes using an ultrasensitive Ca2+ indicator. (2014)
  • Author(s): Kanemaru K, Sekiya H, Xu M, Satoh K, Kitajima N, Yoshida K, Okubo Y, Sasaki T, Moritoh S, Hasuwa H, Mimura M, Horikawa K, Matsui K, Nagai T, Iino M, Tanaka KF
  • Journal Title: Cell Rep Volume: 8(1),311 Issue: 1 Pages: 311-318
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2014.05.056
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 光遺伝学のグリア細胞への応用と新知見 (2014)
  • Author(s): 別府 薫、松井 広
  • Journal Title: 日本臨牀 Volume: 72 Pages: 2243-2249
• [Journal Article] Optogenetic countering of glial acidosis suppresses glial glutamate release and ischemic brain damage (2014)
  • Author(s): Beppu K, Sasaki T, Tanaka K F, Yamanaka A, Fukazawa Y, Shigemoto R, Matsui K
  • Journal Title: Neuron Volume: 81(2) Issue: 2 Pages: 314-320
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2013.11.011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] グリア機能の光制御から見えてきた脳科学研究の新しい地平 (2014)
  • Author(s): 松井 広
  • Journal Title: 細胞工学 Volume: 33 Pages: 275-280
• [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] 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: 31 Pages: 1712-1717
• [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 Pages: 609-621
• [Journal Article] 視床：単なる中継核ではない‐生理学的基礎 (2013)
  • Author(s): 松井 広
  • Journal Title: Clinical Neuroscience Volume: 31 Pages: 24-26
• [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
• [Presentation] 脳虚血時におけるグリア活動暴走の光遺伝学的制御 (2015)
  • Author(s): 松井 広
  • Organizer: 日本薬理学会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(名古屋市）
  • Year and Date: 2015-03-18
• [Presentation] ポスト神経至上主義：グリア光操作による新たな展開 (2015)
  • Author(s): 松井 広
  • Organizer: 蔵王カンファレンス
  • Place of Presentation: 蔵王四季のホテル（山形市）
  • Year and Date: 2015-01-30
  • Invited
• [Presentation] 「神経」科学からの脱出：グリア光操作技術による統合脳科学への挑戦 (2014)
  • Author(s): 松井 広
  • Organizer: 立命館大学視覚科学統合研究センターセミナー
  • Place of Presentation: 立命館大学（草津市）
  • Year and Date: 2014-12-17
  • Invited
• [Presentation] 光操作でグリア暴走を止める (2014)
  • Author(s): 松井 広
  • Organizer: 日本レーザー医学会
  • Place of Presentation: 京王プラザホテル（新宿区）
  • Year and Date: 2014-11-30
• [Presentation] Glial glutamate release and its role in neuronal information (2014)
  • Author(s): Ko Matsui
  • Organizer: NIH-Japan-JSPS Symposium
  • Place of Presentation: Bethesda, USA
  • Year and Date: 2014-10-24
  • Invited
• [Presentation] Glial control of behavior and brain damage (2014)
  • Author(s): Ko Matsui
  • Organizer: Glial Heterogeneity Meeting
  • Place of Presentation: Dusseldorf, Germany
  • Year and Date: 2014-10-13
  • Invited
• [Presentation] Active role of glia in neuronal circuit modulation and rampant glial signals in pathology (2014)
  • Author(s): Ko Matsui
  • Organizer: CiNet Friday Lunch Seminar
  • Place of Presentation: 脳情報通信融合研究センター（吹田市）
  • Year and Date: 2014-09-26
  • Invited
• [Presentation] 光で操作するグリア細胞活動 (2014)
  • Author(s): 松井 広
  • Organizer: 創薬薬理フォーラム
  • Place of Presentation: 日本薬学会長井記念館（渋谷区）
  • Year and Date: 2014-09-25
  • Invited
• [Presentation] プラトンの洞窟からの脱出：オプトジェネティクスの光と影 (2014)
  • Author(s): 松井 広
  • Organizer: グリアアセンブリ若手の会
  • Place of Presentation: 仁和寺（京都市）
  • Year and Date: 2014-08-07
• [Presentation] グリア光制御による脳神経細胞死防御 (2014)
  • Author(s): 松井 広
  • Organizer: 日本解剖学会総会
  • Place of Presentation: 自治医科大学キャンパス
  • Invited
• [Presentation] Optogenic relief of ischemic brain damage (2014)
  • Author(s): K. BEPPU, T. SASAKI, K. F. TANAKA, A. YAMANAKA, Y. FUKAZAWA, R. SHIGEMOTO, K. MATSUI
  • Organizer: 光科学技術で拓く脳・精神科学平和探究研究会
  • Place of Presentation: 浜松
  • Invited
• [Presentation] 神経－グリアネットワークの機能と破綻 (2014)
  • Author(s): 松井 広
  • Organizer: 生理学研究所研究会「グローバルネットワークによる脳情報処理」
  • Place of Presentation: 岡崎
  • Invited
• [Presentation] Source and effect of glutamate liberate into the extracellular space (2013)
  • Author(s): Ko Matsui
  • Organizer: KIST Seminar
  • Place of Presentation: ソウル、韓国
  • Invited
• [Presentation] Proton triggered glial glutamate release underlies excitotoxicity upon ischemia (2013)
  • Author(s): Ko Matsui
  • Organizer: JSPS Core-to-Core Program Symposium "Mechanisms of Synaptic Transmission"
  • Place of Presentation: 同志社大学田辺キャンパス
  • Invited
• [Presentation] Optogenetic glial alkalization relieves ischemic brain damage (2013)
  • Author(s): K. BEPPU, T. SASAKI, K. F. TANAKA, A. YAMANAKA, Y. FUKAZAWA, R. SHIGEMOTO, K. MATSUI
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: San Diego, USA
• [Presentation] 脳と心の光操作 (2013)
  • Author(s): 松井 広
  • Organizer: オプトジェネティクス講習会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Invited
• [Presentation] Optogenetics for rescue (2013)
  • Author(s): Ko Matsui
  • Organizer: 光操作研究会
  • Place of Presentation: 慶應大学三田キャンパス
  • Invited
• [Presentation] 光遺伝学応用の新たな展開 (2013)
  • Author(s): 松井 広
  • Organizer: 包括的脳科学研究推進支援ネットワーク・夏のワークショップ
  • Place of Presentation: 名古屋
• [Presentation] Optogenetic control of glial cell activity (2013)
  • Author(s): Ko Matsui
  • Organizer: European Meeting on Glial Cells in Health and Disease
  • Place of Presentation: Berlin, Germany
  • Invited
• [Presentation] Optogenetic analysis of the role of glial cells in cerebellar circuit (2013)
  • Author(s): Ko Matsui
  • Organizer: 日本神経科学会大会
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館
  • Invited
• [Presentation] 脳と行動の光操作 (2013)
  • Author(s): 松井 広
  • Organizer: 日本神経科学会大会
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館
  • Invited
• [Presentation] Unveiling brain intercellular communication with optoelectrophysiology and simulations (2013)
  • Author(s): Ko Matsui
  • Organizer: 理化学研究所BSIセミナー招待講演
  • Place of Presentation: 和光
  • Invited
• [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、松井広ほか執筆者45名
  • Total Pages: 288
  • Publisher: エヌ・ティー・エス
• [Remarks] 東北大学大学院医学系研究科・脳神経科学コアセンター・新医学領域創生分野
  • URL: http://www.ims.med.tohoku.ac.jp/matsui/
• [Remarks] 東北大学大学院医学系研究科・脳神経科学コアセンター・新医学領域創生分野
  • URL: http://www.ims.med.tohoku.ac.jp/matsui/index.html
• [Remarks] 東北大学医学部プレスリリース「脳虚血時の細胞死誘導メカニズムへ光」
  • URL: http://www.med.tohoku.ac.jp/news/2357.html
• [Remarks] 東北大学プレスリリース「脳虚血時の細胞死誘導メカニズムへ光」
  • URL: http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2014/01/press20140122-03.html