2022 Fiscal Year Annual Research Report
Neuronal circuit dynamics for memory state transition
| Project Area | Census-based biomechanism of circuit construction and transition for adaptive brain functions |
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| Project/Area Number |
21H05243
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
佐々木 拓哉 東北大学, 薬学研究科, 教授 (70741031)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
船水 章大 東京大学, 定量生命科学研究所, 講師 (20724397)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Keywords | 海馬 / トランスクリプトーム解析 / 単一神経細胞 / スパイク / 傍細胞記録 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大脳皮質には、空間学習や記憶、意思決定に対して活動する神経細胞が存在する。こうした齧歯動物の神経活動を調べるために、従来は電極によるin vivo電気生理計測法が適用されてきた。本研究では、こうした基礎生理学研究を遺伝子解析と融合させることを目的としている。海馬は、記憶形成にとって重要な脳の領域である。特に、海馬のシャープウェーブリップルは、多数の海馬ニューロンが同期して発火することで、記憶の固定に不可欠であることが示唆されている。最近の我々を含む様々な研究グループの解析により、すべての海馬ニューロンが、シャープウェーブリップル中に同期して発火するわけではなく、その活性化度合いには大きなばらつきがあることが示されている。このような変動は、遺伝子発現や解剖学的な投射パターンの多様性によって引き起こされると考えられているが、こうした様々な階層における細胞特性を、1つのニューロンから包括的に分析するための実験方法はまだ確立されていない。この問題に対処するために、本研究では、既存の技術を順次組み合わせて、同じニューロンでの発火特性と遺伝子発現プロファイルの同定法を開発した。この方法では、海馬ニューロンのスパイクパターンと局所場電位を、マウスから記録し、記録後、可溶性蛍光色素であるAlexa 488/594 hydrazideを、ニューロンに電気穿孔することで細胞ラベリングを行う。その後、急性海馬スライスを作成し、顕微鏡下でガラスピペットでラベル付けされたニューロンを回収する。最後に、回収した細胞にシングルセルRNAシークエンシングを適用して、その遺伝子発現プロファイルを同定する。この方法を用いて、海馬から記録された48のニューロンから遺伝子発現プロファイルを得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、in vivo juxtacellular recordings、細胞ラベリング、脳スライス、RNAシークエンシングの技術融合を目的としたが、その目的は予定通りに達成された。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、今までに確立することができたJuxtacellular記録法を麻酔動物のみならず、自由行動をしている動物にも適用してさらに発展させることで、個体の適応行動と神経細胞による情報処理、また遺伝子発現をはじめとする分子機構を関連づける有用な手法を開発する予定である。より具体的な課題としては、昨年度まで今回利用したin vivo juxtacellular記録法は、頭部固定下で海馬を対象として行われてきたが、体性感覚皮質や聴覚皮質、視床網様核、大脳基底核黒質などの多様な領域から記録できることが報告されているため、これらにも適用範囲を広げて、汎用性を高めることを目指す。また、自由行動をしている動物からの記録が出来れば、海馬の場所細胞をはじめとした、行動の自由度が高い実験系にも幅広く適用できるため、より汎用性が高まることが期待される。これまでに、頭部固定や揺れの軽減など、詳細な条件検討を行って一部確立されつつあるため、できるだけ早期に本技術を実現させたいと考える。以上のように、実験法のさらなる改良と条件検討は必要であるが、多様な行動課題と実験条件を多様な脳領域において適用できる汎用性の高い手法とするために研究を進める予定である。さらに、神経細胞の光遺伝学的な操作も可能にする予定である。これにより、単純な神経細胞の活動計測だけでなく、様々な操作や介入を可能にすることで、多様な神経細胞応答を調べるための有用なツールになることが期待される。また、これまでに得られた海馬ニューロンの発火特性とシャープウェーブリップルとの相関関係を解析し、この発火特性に対して、個々の遺伝子発現プロファイルがどのように関連するか、UMAP解析をはじめとした大変量解析を用いて解明する予定である。
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