細胞発振現象と集団発振のモーダルシフト

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Non-linear Neuro-oscillology: Towards Integrative Understanding of Human Nature
• Project/Area Number: 15H05872
• Research Institution: Hamamatsu University School of Medicine
• Principal Investigator: 福田 敦夫 浜松医科大学, 医学部, 教授 (50254272)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 柳川 右千夫 群馬大学, 大学院医学系研究科, 教授 (90202366) ; 江川 潔 北海道大学, 大学病院, 医員 (40450829)
• Project Period (FY): 2015-06-29 – 2020-03-31
• Keywords: GABA / Cl- / Ca2+振動 / γ振動 / てんかん / ノイズ

Outline of Annual Research Achievements

１．胎仔細胞の膜電流振動と細胞内Ca2+振動の探索：皮質板細胞にGABAあるいはタウリンを投与して惹起される膜電流振動の周波数と振幅をフーリエ変換で解析した結果、タウリンはGABAより有意に大きな振幅を惹起した。また、GABAは皮質板に多くタウリンはサブプレートに多く、取り込み阻害剤の結果から、各々の部位でのCa2+振動の主要な内因性アゴニストは各々GABAとタウリンであると考えられた。GCaMPを子宮内電気穿孔法で発生細胞に導入しCa2+振動を記録できたので、移動過程の膜電流振動やCa2+振動の変化と両者の相関を解析する手法を確立できた。
２．新規振動現象の探索にむけたネットワーク病態モデルの適切性の検討：脳波でdiffuse spike and waveを示すてんかん性脳症患者のKv2.1の2種のde novo変異をマウス神経細胞に導入したところ、どちらも連続発火が強く阻害され、細胞レベルでの連続発火抑制がむしろ回路レベルでの同期性増加につながると考えられた。taurine transporter-KOマウスでは発火特性、自発性シナプス後電流の頻度、WNK3のKOマウスでは連続性、WNKによるKCC2のリン酸化部位変異マウスでは胎生期の呼吸リズムなど、いずれも振動現象に変化がみられた。Angeleman症候群モデルでは、小脳でKCC2蛋白が増加し海馬では正常であり、小脳での発火パターン異常との関連が示唆された。
３．γ振動発生機構におけるparvalbumin陽性GABA細胞の役割の解析：このモデルでは痙攣発作は見られなかったが、場所学習記憶保持が変化しており、γ振動変化の可能性が示唆された。さらに、γ振動発生に関わる可能性のあるGABAシナプス随伴糖鎖α-dystroglycanの糖転移酵素fukutin遺伝子のメチル化が脳全域で亢進していることを確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度の成果として、学会での公開や論文発表もできている。27年度計画としては、大部分を実行でき、ほぼ予定通りの目的を達成できた。加えて、細胞レベルでの連続発火抑制がむしろ回路レベルでの同期性増加につながるといった、予想に反した所見を得ることが出来た。今後、B班との連携研究を開始するが、これにより、神経細胞発振がネットワーク病態へモーダルシフトする機序に関するモデル化の良い案件が得られたと考えている。また、胎仔GAD67ヘテロ欠損母体ストレスモデルの網羅的DNAメチル化解析では、α-dystroglycanのo-マンノース型糖転移酵素fukutinの遺伝子のメチル化が脳全域で亢進していることを見出した。すなわち、ネットワーク病態としての行動やてんかん原性を評価する良いモデルとなる。また、α-dystroglycanはGABAシナプスに特異的に集積する細胞外糖鎖で、シナプス可塑性との関連が示されている。したがって、このモデルにおけるGABA作動性シナプス後電流や脳波等を解析することで、γ振動異常に関わる因子を探索することが出来る。今後さらにこれを発展させ、γ振動やその他の振動現象における細胞外糖鎖の役割といった新しい研究方向性につなげることが出来るので、新規発振現象の探索につながる。

Strategy for Future Research Activity

１．γ振動発生機構に関わるparvalbumin (PV)陽性GABA細胞シナプスの機能解析： PV陽性GABA細胞が特異的に減少する胎仔GAD67ヘテロ欠損母体ストレスモデルでは、fukutinの遺伝子メチル化が脳全域で亢進しており、GABA細胞外糖鎖の異常が示唆された。今年度は、このモデルにおけるperineuronal netsなどGABA細胞・シナプスの細胞外糖鎖の状態やGABA作動性シナプス後電流、脳波等を解析する。γ振動異常に関わる因子を探索し、ネットワーク病態としての行動やてんかん原性を評価する。
２．神経細胞間同期現象に関わるGABA細胞シナプスにおけるCl-バッファリングの検討： PV陽性GABA細胞選択的GFP発現マウスに、PiggyBac transposonシステムにより、アストロサイト特異的にR-CaMPやKCC2あるいはNKCC1アンチセンスを発現させ、GABAシナプスのアストロサイトの細胞内Ca2+振動と神経細胞発振、ネットワーク同期、γ振動発生におけるCl-バッファリングとの関係を検討する。
３．神経細胞発振がネットワーク病態へモーダルシフトする機序のモデル化による検討：てんかん性脳症患者の原因遺伝子の機能解析で判明したチャネル機能異常や細胞内Ca2+濃度振動異常、樹状突起スパイン形成異常等が、神経細胞発振やネットワーク同期を誘起する機序について、数理モデル上での再構築を試みる（B02連係）。
４．ネットワーク病態におけるGABA／Cl-ホメオダイナミクスの関与の検討：難治てんかん症例で発見されたKCC2の変異遺伝子を、グリシン受容体α1 subunitを発現するHEK細胞株に発現させ、各々の遺伝子のグリシン電流の逆転電位（Cl-の平衡電位に相当）を解析し、野生型KCC2とのCl-排出能（Cl-平衡電位）差異を明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] De novo KCNB1 mutations in infantile epilepsy inhibit repetitive neuronal firing. (2015)
  • Author(s): Saitsu H#, Akita T#, Tohyama J, Goldberg-Stern H, Kobayashi Y, Cohen R, Kato M, Ohba C, Miyatake S, Tsurusaki Y, Nakashima M, Miyake N, Fukuda A and Matsumoto N.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Pages: -
  • DOI: 10.1038/srep15199
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] KCC2-mediated regulation of respiration-related rhythmic activity during postnatal development in mouse medulla oblongata. (2015)
  • Author(s): *Okabe, A., Shimizu-Okabe, C., Arata, A., Konishi, S., Fukuda, A. and Takayama, C.
  • Journal Title: Brain Research Volume: 1601 Pages: 31-39
  • DOI: 10.1016/j.brainres.2015.01.007
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development and regulation of chloride homeostasis in the central nervous system. (2015)
  • Author(s): Watanabe, M., *Fukuda, A.
  • Journal Title: Frontiers in Cellular Neuroscience Volume: 9 Pages: -
  • DOI: 10.3389/fncel.2015.00371
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Aberrant oscillation property of Perkinje cells is caused by decreased tonic inhibitionin granule in granule cells in mice model of Angelman syndrome. (2016)
  • Author(s): Egawa, K. and Fukuda, A.
  • Organizer: 第93回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-23
• [Presentation] De novo Kv2.1 mutants causing infantile generalized seizures and psychomotor developmental delay inhibit repetitive neuronal firing. (2016)
  • Author(s): Akita, T., Saitsu, H., Matsumoto, N. and Fukuda, A.
  • Organizer: 第93回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-23
• [Presentation] 発生期マウス大脳皮質においてGABAA受容体と母体由来タウリンは神経前駆細胞の時系列的性質変化を制御する. (2016)
  • Author(s): 栃谷史郎, 古川智範, 伊藤崇志, 松島芳隆, 小島俊男, 松崎秀夫, 福田敦夫.
  • Organizer: 第2回国際タウリン研究会日本部会
  • Place of Presentation: アオッサ福井（福井県福井市）
  • Year and Date: 2016-03-05
• [Presentation] Taurine is involved in the temporal regulation of the properties of neural progenitors in the mouse developing cortex. (2015)
  • Author(s): 栃谷史郎, 古川智範, 伊藤崇志, 小島俊男, 松崎秀夫, 福田敦夫.
  • Organizer: 第38回日本分子生物学会年会・第88回日本生化学会大会合同大会
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-02
• [Presentation] CRH放出機構における新規GABA作用の発見. (2015)
  • Author(s): 福田敦夫, 柿沢圭亮, 渡部美穂, 大川雄太, 大石敏弘, 山下美保, 柳川右千夫, 沖隆.
  • Organizer: 第42回日本脳科学会
  • Place of Presentation: ＡＮＡホリデイ・イン リゾート宮崎（宮崎県・宮崎市）
  • Year and Date: 2015-11-12
• [Presentation] 出生前ストレス曝露による生後大脳皮質におけるGABA細胞とペリニューラルネットの減少. (2015)
  • Author(s): 福田敦夫.
  • Organizer: 第13回糖鎖科学コンソーシアムシンポジウム
  • Place of Presentation: ウインクあいち（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2015-10-20
  • Invited
• [Presentation] Dual effects of serotoninergic inputs on the local circuits regulating the corticotropin-releasing factor neurons in the paraventricular nucleus of the hypothalamus: an electrophysiological study using the CRF-VenusΔNeo mouse. (2015)
  • Author(s): Sato, T., Sugiya, T., Fuse, T., Uchida, K., Sugimoto, N., Abe, M., Yamazaki, M., Fukuda, A., Sakimura, K. and Itoi, K.
  • Organizer: Society for Neuroscience 2015
  • Place of Presentation: Chicago(USA)
  • Year and Date: 2015-10-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CRHニューロン制御におけるGABAの新たな役割についての検討. (2015)
  • Author(s): 柿沢圭亮，渡部美穂，大川雄太，大石敏弘，山下美保，柳川右千夫，沖 隆，福田敦夫.
  • Organizer: 第42回日本神経内分泌学会・第23回日本行動神経内分泌研究会・合同学術集会
  • Place of Presentation: 仙台市戦災復興記念館（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-09-19
• [Presentation] Taurine concentration and distribution in brain of frontaltemporal lobar degeneration patients. (2015)
  • Author(s): Matsushita, S., Masaki, N, Kondo, T., Takei, S., Akatsu, H., Akita, T., Sugiyama, E., Fukuda, A., Yao, I. and Setou, M.
  • Organizer: 第40回日本医用マススペクトル学会年会
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松（静岡県・浜松市）
  • Year and Date: 2015-09-17
• [Presentation] Visualization of the glutamate release in the plexiform layers of the mouse retina. (2015)
  • Author(s): Ohkuma, M., Horio, K., Kaneda, M., Yoshida, S., Fukuda, A. and Miyachi, E.
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場・展示場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-30
• [Presentation] Persistent reduction of MHC class I in dopamine neurons contributes to robust cocaine-seeking behavior. (2015)
  • Author(s): Murakami, G., Fukuda, A., Iwashita, T. and Nakahara, D.
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場・展示場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-29
• [Presentation] A novel role of GABA in the release of CRH in the hypothalamo-pituitary pathway. (2015)
  • Author(s): Kakizawa, K., Watanabe, M., Yanagawa, Y., Oki, Y. and Fukuda, A.
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場・展示場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28
• [Book] GABAとその受容体, 臨床てんかん学 (2015)
  • Author(s): 福田敦夫
  • Total Pages: 671(66-71)
  • Publisher: 医学書院
• [Remarks] 浜松医科大学医学部神経生理学講座ホームページ
  • URL: http://www.hama-med.ac.jp/uni_education_igakubu_igaku_seiri1.html