エピソード学習で動的に変化する海馬発火活動とCA1シナプスの多様な可塑性

• Project Area: Principles of memory dynamism elucidated from a diversity of learning systems
• Project/Area Number: 26115518
• 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: Yamaguchi University
• Principal Investigator: 美津島 大 山口大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (70264603)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2015: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2014: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: シナプス可塑性 / エピソード記憶 / 海馬学習 / リップル / AMPA受容体 / GABAA受容体 / super burst / CA1 / 学習 / θ波

Outline of Annual Research Achievements

海馬には時間や空間の情報が入りエピソード記憶の形成に中心的役割を担う。記憶の符号化ルールは不明だが、海馬CA1ニューロンにおけるAMPA受容体の興奮性シナプスへの移行は、阻止すると回避学習が成立せず、学習成立に必要な現象である(Mitsushima et al, PNAS 2011)。
回避学習はAMPA受容体を介する興奮性シナプスの可塑性だけでなく、GABAA受容体を介した抑制性シナプスの可塑性も高める結果、個々のCA1ニューロンが複雑かつ多様なシナプス入力を保持することが解った。また、薬物で興奮性シナプスの多様性や抑制性シナプスの多様性を失わせると、学習が成立しないため、多様なシナプス可塑性がCA1ニューロンの記憶痕跡であることも判明した(Mitsushima et al, Nat Commun 2013)。
本研究では、オスラットに10分間の様々なエピソード体験させ、CA1の多ニューロン発火活動に及ぼす影響を、自由行動状態で解析した。十分馴らしたホームケージ内では散発的な自発発火活動が見られたが、拘束ストレスやメスラットとの接触など強い情動を伴うエピソード学習中もしくは学習直後に600～1200ms継続する自発的高頻度発火活動(43～129Hz)が何度も発生し、その数分後からリップル状(30～100ms)短期高頻度発火の挿入が始まった。エピソード学習後のリップル波は形状や周波数が多種多様で複雑な多様性を示し、Field potentialとの同時記録実験ではθ波とリップル波の位相関係はエピソード学習後に変化した。さらにエピソード曝露30分後に急性海馬スライスを作成し、興奮性シナプスと抑制性シナプスの可塑性を解析すると、興奮性と抑制性のシナプスが多様に強化され、各ニューロンが示すシナプス入力状況はエピソード間で異なった(石川、美津島　日本生理学会 2016)。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Motor training promotes both synaptic and intrinsic plasticity of layer II/III pyramidal neurons in the primary motor cortex. (2016)
  • Author(s): Kida H, Tsuda Y, Ito N, Yamamoto Y, Owada Y, Kamiya Y, Mitsushima D.
  • Journal Title: Cerebral Cortex Volume: in press Issue: 8 Pages: 3494-507
  • DOI: 10.1093/cercor/bhw134
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Astrocyte-expressed FABP7 regulates dendritic morphology and excitatory synaptic function of cortical neurons. (2016)
  • Author(s): Ebrahimi M, Yamamoto Y, Sharifi K, Kida H, Kagawa Y, Yasumoto Y, Islam A, Miyazaki H, Shimamoto C, Maekawa M, Mitsushima D, Yoshikawa T, Owada Y.
  • Journal Title: Glia Volume: 64(1) Issue: 1 Pages: 48-62
  • DOI: 10.1002/glia.22902
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Stoichiometry and phosphoisotypes of hippocampal AMPA-type glutamate receptor phosphorylation. (2015)
  • Author(s): Hosokawa T, Mitsushima D, Kaneko R, Hayashi Y.
  • Journal Title: Neuron Volume: 85(1) Issue: 1 Pages: 60-7
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2014.11.026
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Contextual learning requires functional diversity at excitatory and inhibitory synapses onto CA1 pyramidal neurons. (2015)
  • Author(s): Mitsushima D.
  • Journal Title: AIMS Neuroscience Volume: 2 Pages: 7-17
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Developmental trajectory of contextual learning and 24-h acetylcholine release in the hippocampus. (2014)
  • Author(s): Takase K, Sakimoto Y, Kimura F, Mitsushima D.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 4 Issue: 1 Pages: 3738-3738
  • DOI: 10.1038/srep03738
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] An enriched rearing environment calms adult male rat sexual activity: implication for distinct serotonergic and hormonal responses to females. (2014)
  • Author(s): Urakawa S, Mitsushima D, Shimozuru M, Sakuma Y, Kondo Y.
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 9
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Real-time change of neuronal activity in the hippocampal CA1 before, during, and after the exposure to emotional episodes: spontaneous high frequent firing and following ripple diversity (2016)
  • Author(s): Ishikawa J, Mitsushima D.
  • Organizer: 第93回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 北海道札幌市札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2016-03-22
• [Presentation] Rapid synaptic plasticity within 5 min: experienced episode increases diversity of excitatory and inhibitory synapses in the hippocampal CA1 (2016)
  • Author(s): Sakimoto Y, Mitsushima D.
  • Organizer: 第93回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 北海道札幌市札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2016-03-22
• [Presentation] Motor training promotes both synaptic and intrinsic plasticity of layer II/III neurons in the primary motor cortex. (2016)
  • Author(s): Kida H, Tsuda Y, Yamamoto Y, Ito N, Owada Y, Mitsushima D.
  • Organizer: 第93回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 北海道札幌市札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2016-03-22
• [Presentation] Real-time change of neural activity in the hippocampal CA1 and medial prefrontal cortex before, during, and after the exposure to a specific episode. (2015)
  • Author(s): Ishikawa J, Mitsushima D.
  • Organizer: 日本生理学会
  • Place of Presentation: 神戸市（神戸国際会議場・展示場）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [Presentation] Learning-dependent synaptic plasticity at CA1 synapses: laterality and a possible location of contextual memory in the hippocampus. (2014)
  • Author(s): Mizuno J, Sakimoto Y, Kida H, Ono Y, Kamiya Y, Mitsushima D.
  • Organizer: 北米神経科学大会
  • Place of Presentation: Washington DC, USA
  • Year and Date: 2014-11-15 – 2014-11-19
• [Presentation] Learning-dependent synaptic diversity in hippocampal CA1 neurons: encoding of context but not retrieval induces rapid synaptic plasticity at excitatory and inhibitory synapses. (2014)
  • Author(s): Sakimoto Y, Mitsushima D.
  • Organizer: 北米神経科学大会
  • Place of Presentation: Washington DC, USA
  • Year and Date: 2014-11-15 – 2014-11-19
• [Presentation] 海馬ＣＡ１シナプスの多様化とエピソード記憶のメカニズム (2014)
  • Author(s): 美津島 大
  • Organizer: 海馬と高次脳機能学会
  • Place of Presentation: 金沢市（金沢湯涌創作の森）
  • Year and Date: 2014-10-11 – 2014-10-12
  • Invited