記憶・情動における多領野間脳情報動態の光学的計測と制御

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Brain information dynamics underlying multi-area interconnectivity and parallel processing
• Project/Area Number: 17H06312
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 尾藤 晴彦 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (00291964)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Keywords: 脳・神経 / 神経科学 / カルシウム / 海馬

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、近時記憶の想起中には活動していないが、遠隔記憶の想起に寄与する、記憶痕跡の性質を持ちうる前頭皮質細胞の時空間動態を徹底的に計測する。また遠隔記憶想起時の海馬・扁桃体記憶ループの動的再編・脳情報動態、ならびに記銘・想起時の興奮性・抑制性細胞の活動バランス調節機構について探索する。
平成31年度～令和元年度において、本研究計画では、遠隔記憶想起時の海馬・扁桃体記憶ループの動的再編・脳情報動態、ならびに記銘・想起時の興奮性・抑制性細胞の活動バランス調節機構について探索するため、以下のような研究を実施した。
１）活性化細胞集団と記憶痕跡を多領野で同時に標識する活性化回路標識操作法を樹立するため、活動依存的プロモーターとCa2+イメージングの組み合わせ条件を検討した。その過程で、in vivoスパイク活動を記録可能な次世代カルシウムインディケーターの多色改変体を設計し、シナプス前部発火と樹状突起発火の2重記録などが可能であることを示した。２）大脳皮質における興奮性・抑制性細胞の活動バランスを、自由行動下の課題遂行中マウス脳にて同時記録するCa2+イメージング技術樹立のproof-of-concept実験を実施した。３）記憶・情動における多領野間連関・並列処理を司る脳情報動態を光遺伝学的に再現するために有用な新規遺伝子改変マウスラインの性質をさらに検討した。
これらの成果の一部は、Inoue et al,. Cell 2019に発表された。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

従来のG-CaMPやGCaMPのin vivo記録性能を上回る次世代カルシウムインディケーターセットの開発に成功し、新たな脳情報動態解析技術の創出を実現した。

Strategy for Future Research Activity

遠隔記憶の想起に必要十分な、大脳皮質の活性化細胞集団の創発に至る機構など、領野間で転送される記憶情報表現の遷移を規定するメカニズム解明を引き続き推進していく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Stanford University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Stanford University
• [Int'l Joint Research] Cornell University/Stanford University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Cornell University/Stanford University
• [Journal Article] Photolytic Release of a Caged Inhibitor of an Endogenous Transcription Factor Enables Optochemical Control of CREB-Mediated Gene Expression. (2020)
  • Author(s): Imoto T, Kawase A, Minoshima M, Yokoyama T, Bito H, Kikuchi K.
  • Journal Title: Org Lett. Volume: 22 Pages: 22-25
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.9b03568
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Kilohertz two-photon brain imaging in awake mice. (2019)
  • Author(s): Zhang T, Hernandez O, Chrapkiewicz R, Shai A, Wagner MJ, Zhang Y, Wu CH, Li JZ, Inoue M, Gong Y, Ahanonu B, Zeng H, Bito H, Schnitzer MJ.
  • Journal Title: Nature Methods Volume: 16 Pages: 1119-1122
  • DOI: 10.1038/s41592-019-0597-2
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rational Engineering of XCaMPs, a Multicolor GECI Suite for In Vivo Imaging of Complex Brain Circuit Dynamics. (2019)
  • Author(s): Inoue M, Takeuchi A, Manita S, Horigane SI, Sakamoto M, Kawakami R, Yamaguchi K, Otomo K, Yokoyama H, Kim R, Yokoyama T, Takemoto-Kimura S, Abe M, Okamura M, Kondo Y, Quirin S, Ramakrishnan C, Imamura T, Sakimura K, Nemoto T, Kano M, Fujii H, Deisseroth K, Kitamura K, Bito H.
  • Journal Title: Cell Volume: 177 Pages: 1346-1360
  • DOI: 10.1016/j.cell.2019.04.007
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sustained rescue of prefrontal circuit dysfunction by antidepressant-induced spine formation. (2019)
  • Author(s): Moda-Sava RN, Murdock MH, Parekh PK, Fetcho RN, Huang BS, Huynh TN, Witztum J, Shaver DC, Rosenthal DL, Alway EJ, Lopez K, Meng Y, Nellissen L, Grosenick L, Milner TA, Deisseroth K, Bito H, Kasai H, Liston C.
  • Journal Title: Science Volume: 364 Pages: eaat8078
  • DOI: 10.1126/science.aat8078
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Multiplex Imaging of Neural Activity and Signaling Dynamics. (2020)
  • Author(s): Bito H
  • Organizer: 8th International Neural Microcircuit Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Arc-dependent regulation of long-term synaptic plasticity. (2019)
  • Author(s): Bito H, Ishii Y, Fujii H, Okuno H.
  • Organizer: 2019 Meeting of the Australasian Neuroscience Society
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Multiplex Imaging of Neural Activity and Signaling Dynamics. (2019)
  • Author(s): Bito H
  • Organizer: 13th Biennial Conference of the Chinese Neuroscience Society
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Arc-dependent regulation of long-term synaptic plasticity. (2019)
  • Author(s): Bito H, Ishii Y, Fujii H, Hayashi T, Okamura M, Kondo Y, Abe M, Sakimura K, Okuno H.
  • Organizer: 10th IBRO World Congress satellite meeting "Synaptic Function and Neural Circuitry".
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Towards multiplex imaging of neural activity and signaling dynamics (2019)
  • Author(s): Bito H
  • Organizer: The 42nd Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society; The 62nd Annual Meeting of the Japanese Society for Neurochemistry
  • Invited