Regulation of synapse remodeling by glial assembly

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Glial assembly: a new regulatory machinery of brain function and disorders
• Project/Area Number: 25117006
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 岡部 繁男 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (60204012)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 橋本 浩一 広島大学, 医歯薬保健学研究院(医), 教授 (00303272)
• Project Period (FY): 2013-06-28 – 2018-03-31
• Keywords: グリア / シナプス刈込み / 神経回路発達 / イメージング

Outline of Annual Research Achievements

生後発達早期のマウス大脳皮質の感覚野と小脳皮質を扱い、技術的には二光子顕微鏡法と電気生理学的手法を用いたシナプスリモデリングの評価を行った。平成28年度には錐体細胞の樹状突起スパインとミクログリアの個体レベルでの二光子顕微鏡法による直接観察を行い、また電子顕微鏡によるグリアとシナプスの相互関係の定量を継続した。また小脳においてはミクログリア欠損が刈り込みに与える影響についてさらに解析を推し進めた。
（１）大脳皮質：前年度までの研究で脳透明化手法によるミクログリアとアストログリアの空間配置についてのデータの取得が終わり二つの細胞種間ではお互いの位置関係が独立していることが明らかになった。このデータから、シナプス動態に直接関与するのはミクログリアの細胞体の位置であることが示唆された。さらにこの点を確認するため樹状突起スパインとミクログリアの個体レベルでの同時観察を実施し、ミクログリアの細胞体からの距離がスパイン動態を制御していることを確認した。電子顕微鏡による解析では、新たに自閉症モデルマウスのサンプルで実験を行い、シナプスと接触するアストログリアが増加することを見出した。
（２）小脳皮質：ミクログリア分布の形態学的な解析から、登上線維シナプス刈り込みが始まる生後8-10日前後に、ミクログリアがプルキンエ細胞層に一時的に局在することを見出した。また、昨年度から作出を進めていたCsf1rミクログリア特異的欠損マウスの解析において、生後発達期小脳からミクログリアが欠失していることを確認すると同時に、登上線維シナプス刈り込みに障害が見られることを明らかにした。発達時期を追ってシナプス刈り込みの異常が見られる時期を解析し、生後10－12日から始まるシナプス刈り込み過程に影響が見られることを確認した。この結果は、ミクログリアの関与に発達時期特異性があることを示唆する。

Current Status of Research Progress

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

Reason

これまでの研究により、大脳皮質、小脳皮質のいずれの部位においてもグリア細胞、特にミクログリアのシナプスリモデリングに与える影響について研究が進められ、興味深いデータが得られつつある。これまでの研究の進捗はほぼ予定通りであると考えている。最終年度である平成29年度は更にシナプスの形成・除去に対するミクログリアの役割を明確にし、これまでの研究の論文化を目指す。
（１）大脳皮質：前年度までの研究により、大脳皮質におけるミクログリアとアストログリアの空間配置に関する情報を脳透明化手法により得ること、二光子顕微鏡により個体レベルでミクログリアの配置とシナプス動態の間の関係を解析し、ミクログリアからの距離が樹状突起スパインの動態に密接に関連することを示すことが出来た。更にアストロサイトとシナプスの関係については自閉症モデルマウスにおける変化も含めて電子顕微鏡による解析データの取得がほぼ終了している。本年度はこれらの実験データを取りまとめて論文化を目指す。
（２）小脳皮質：前年度までの複数手段を用いた解析から、ミクログリアがシナプス刈り込みに関与することはほぼ間違いないことが確認された。本年度はミクログリアによる刈り込みの制御機序を明らかにすることを目的として解析を行う予定である。同時にこれまでのデータのとりまとめも進めており、本年度中の論文化を目指す。ほぼ計画通りに研究は進捗している。

Strategy for Future Research Activity

上記の様に、ほぼ計画通りに大脳皮質および小脳皮質での研究が進展している事から、最終年度には特に以下の項目に重点を置いて研究を行う。
（１）大脳皮質：これまでに取得した脳透明化によるグリアの配置データを更に解析し、異なった細胞種の間での組織内での位置関係についての知見を得る。また二光子顕微鏡による個体イメージングを用いてミクログリアの突起の短時間での形態変化を追跡し、細胞体の近くと遠くでどのような違いがあるのかを検討する。電子顕微鏡による解析では自閉症モデルマウスのシナプスとアストロサイトの接触が増加していることが明らかとなったので、この接触の増加の原因が単純にアストロサイトの形態変化に依存するものなのかを電子顕微鏡・光学顕微鏡により明らかにする。
（２）小脳皮質：最終年度は刈り込みにおけるミクログリアの機能的意義を明らかにするため、登上線維の貪食について形態学的手法を用いて解析する。また、登上線維の刈り込みは他の細胞からの入力線維の成熟（興奮性の平行線維シナプスや抑制性シナプス）にも依存することが知られているため、ミクログリアが他のシナプスの形成を促進し、間接的にシナプス刈り込みを制御している可能性についても解析する。これまでの解析データをまとめて論文投稿を行う。

Research Products

• [Journal Article] AMPA glutamate receptors are required for sensory-organ formation and morphogenesis in the basal chordate. (2017)
  • Author(s): Hirai, S., Hotta, K., Kubo, Y., Nishino, A, Okabe, S., Okamura, Y. and H.Okado
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1073/pnas.1612943114
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Insights into age-old questions of new dendritic spines: From form to function. (2016)
  • Author(s): Parajuli, L. K., Tanaka, S., and S. Okabe
  • Journal Title: Brain Research Bulletin. Volume: 129 Pages: 3-11
  • DOI: 10.1016/j.brainresbull.2016.07.014
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] CAPS1 RNA Editing Promotes Dense Core Vesicle Exocytosis. (2016)
  • Author(s): Miyake, K., Ohta, T., Nakayama, H., Doe, N., Terao, Y., Oiki, E., Nagatomo, I., Yamashita, Y., Abe, T., Nishikura, K., Kumanogoh, A., Hashimoto, K., Kawahara, Y.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 17 Pages: 2004-2014
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2016.10.073.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Metabotropic Glutamate Receptor Subtype 1 Mediates Experience-Dependent Maintenance of Mature Synaptic Connectivity in the Visual Thalamus. (2016)
  • Author(s): Narushima, M., Uchigashima, M., Yagasaki, Y., Harada, T., Nagumo, Y., Uesaka, N., Hashimoto, K., Aiba, A., Watanabe, M., Miyata, M., Kano, M.
  • Journal Title: Neuron Volume: 91 Pages: 1097-109
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2016.07.035.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ionic Basis for Membrane Potential Resonance in Neurons of the Inferior Olive. (2016)
  • Author(s): Matsumoto-Makidono, Y., Nakayama, H., Yamasaki, M., Miyazaki, T., Kobayashi, K., Watanabe, M., Kano, M., Sakimura, K., Hashimoto, K
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 16 Pages: 994-1004
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2016.06.053.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fast 3D visualization of endogenous brain signals with high-sensitivity laser scanning photothermal microscopy. (2016)
  • Author(s): Miyazaki, J., Tadatsune, I., Tanaka, S., Hayashi-Takagi, A.,,Kasai, H., Okabe, S., and T. Kobayashi
  • Journal Title: Biomedical Optics Express Volume: 7 Pages: 1702-1710
  • DOI: 10.1364/BOE.7.001702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temporal Changes in the response of SVZ neural stem cells to intraventricular administration of growth factors. (2016)
  • Author(s): Ochi, T., Nakatomi, H., Ito, A., Okabe, S. and N. Saito.
  • Journal Title: Brain Research Volume: 1636 Pages: 119-129
  • DOI: 10.1016/j.brainres.2016.01.046
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High affinity receptor labeling based on basic leucine zipper domain peptides conjugated with pH-sensitive fluorescent dye: visualization of AMPA type glutamate receptor endocytosis in living neurons. (2016)
  • Author(s): Hayashi, A., Asanuma, D., Kamiya, M., Urano, U. and S. Okabe.
  • Journal Title: Neuropharmacology Volume: 100 Pages: 66-75
  • DOI: 10.1016/j.neuropharm.2015.07.026
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Necdin regulates spine dynamics in 15q duplication model mice. (2017)
  • Author(s): Tsuyoshi Toya, Keita Fukumoto, Kota Tamada1, Shinji Tanaka, Hidemi Misawa, Shigeo Okabe, Toru Takumi
  • Organizer: 第122回日本解剖学会総会・学術集会
  • Place of Presentation: 長崎大学（長崎県長崎市）
  • Year and Date: 2017-03-28 – 2017-03-30
• [Presentation] Abnormal synapse dynamics in mouse models for autism spectrum disorders. (2017)
  • Author(s): Shinji Tanaka, Masaaki Isshiki, Risa Iguchi, Shinji Urata, Shunsuke Mizutani, Toshihiko Kuriu, Katsuhiko Tabuchi, Toru Takumi, Shigeo Okabe
  • Organizer: 第122回日本解剖学会総会・学術集会
  • Place of Presentation: 長崎大学（長崎県長崎市）
  • Year and Date: 2017-03-28 – 2017-03-30
• [Presentation] Molecular mobility inside dendritic spines of cultured hippocampal neurons (2017)
  • Author(s): Kazuki Obashi, Yasuhiro Inoue, Shigeo Okabe
  • Organizer: 第122回日本解剖学会総会・学術集会
  • Place of Presentation: 長崎大学（長崎県長崎市）
  • Year and Date: 2017-03-28 – 2017-03-30
• [Presentation] Analysis of postsynaptic function of ACF7, an actin-microtubule crosslinking protein (2017)
  • Author(s): Yutaro Kashiwagi, Shigeo Okabe
  • Organizer: 第122回日本解剖学会総会・学術集会
  • Place of Presentation: 長崎大学（長崎県長崎市）
  • Year and Date: 2017-03-28 – 2017-03-30
• [Presentation] Three-dimensional analysis of microglia and synapses in developing cerebral cortex (2017)
  • Author(s): Tadatsune Iida, Shinji Tanaka, Shigeo Okabe
  • Organizer: 第122回日本解剖学会総会・学術集会
  • Place of Presentation: 長崎大学（長崎県長崎市）
  • Year and Date: 2017-03-28 – 2017-03-30
• [Presentation] The effects of noise-induced hearing loss on the cochlea revealed by the new optical clearing method (2017)
  • Author(s): Shinji Urata, Tadatsune Iida, Yu Mizushima, Chisato Fujimoto, Yu Matsumoto, Tatsuya Yamasoba, Shigeo Okabe
  • Organizer: 第122回日本解剖学会総会・学術集会
  • Place of Presentation: 長崎大学（長崎県長崎市）
  • Year and Date: 2017-03-28 – 2017-03-30
• [Presentation] 神経細胞のResonance特性に関わるイオンチャネルの解析 (2017)
  • Author(s): 橋本浩一、槇殿佳子、中山寿子、山崎美和子、宮崎太輔、小林和人、渡辺雅彦、狩野方伸、崎村建司
  • Organizer: 第94回 日本生理学会大会
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松（静岡県浜松市）
  • Year and Date: 2017-03-28 – 2017-03-30
• [Presentation] イメージングによる神経回路発達の理解 (2017)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: 第66回日本小児神経学会関東地方会
  • Place of Presentation: 日本医科大学（東京都文京区）
  • Year and Date: 2017-03-25 – 2017-03-25
  • Invited
• [Presentation] High resolution imaging of synaptic structure and molecules. (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: Super-resolution & Intra-vital Imaging Workshop, The 4th International Anatomical Sciences & Cell Biology Conference 2016
  • Place of Presentation: Hong Kong（CHINA)
  • Year and Date: 2016-12-04 – 2016-12-06
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Imaging synapses in vivo - physiology and pathology of synapses and neural circuits (Plenary Lecture). (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: The 4th International Anatomical Sciences & Cell Biology Conference 2016
  • Place of Presentation: Hong Kong（CHINA)
  • Year and Date: 2016-12-04 – 2016-12-06
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Developmental Defects in cortical synapse remodeling associated with autism spectrum disorders. (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: NSF-AMED Workshop: Comparative Principles of Brain Architecture and Functions.
  • Place of Presentation: San Diego (USA)
  • Year and Date: 2016-11-17 – 2016-11-18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Genetic manipulation of mTORC1 signaling in mouse cerebellar Purkinje cell. (2016)
  • Author(s): Kassai, H., Sakai, Y., Nakayama, H., Maeda, T., Hashimoto, K., Kano, M., Aiba, A.
  • Organizer: Neuroscience 2016 annual meeting Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: San Diego (USA)
  • Year and Date: 2016-11-12 – 2016-11-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 細胞膜resonance特性に関わるイオンチャネル (2016)
  • Author(s): 橋本浩一、槇殿佳子、中山寿子
  • Organizer: 第68回 日本生理学会 中国四国地方会
  • Place of Presentation: 岡山大学 鹿田キャンパス（岡山県岡山市）
  • Year and Date: 2016-11-05 – 2016-11-06
• [Presentation] Maturation-dependent regulation of synaptic density and dynamics. (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: The 47th NIPS International Symposium “Decoding Synapses”
  • Place of Presentation: 生理学研究所(愛知県岡崎市）
  • Year and Date: 2016-10-26 – 2016-10-28
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ion channels responsible for the resonant property of neurons in the inferior olive. (2016)
  • Author(s): 橋本浩一、中山寿子、松本佳子
  • Organizer: 第59回 日本神経化学会大会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2016-09-08 – 2016-09-10
• [Presentation] High resolution imaging analysis of postsynaptic structure (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: 第３９回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-07-20 – 2016-07-22
• [Presentation] A mutation in CACNA1G causes autosomal dominant spinocerebellar ataxia. (2016)
  • Author(s): Morino, H., Matsuda, Y., Muguruma, K., Miyamoto, R., Ohsawa, R., Ohtake, T., Otobe, R., Watanabe, M., Maruyama, H., Hashimoto, K., Kawakami, H
  • Organizer: 第39回 日本神経科学学会大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-07-20 – 2016-07-22
• [Presentation] 自閉スペクトラム症の病態理解に向けて―モデル動物イメージングからのアプローチ (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: 第46回日本神経精神薬理学会シンポジウム「脳科学から見た自閉スペクトラム症」
  • Place of Presentation: ソウル(韓国)
  • Year and Date: 2016-07-02 – 2016-07-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Maturation-dependent regulation of synaptic density and the role of CaMKIIα. (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: US-Japan Brain Research Cooperative Program Current trends and future directions of synaptic plasticity research.
  • Place of Presentation: Baltimore(USA)
  • Year and Date: 2016-06-22 – 2016-06-25
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 東京大学大学院医学系研究科神経細胞生物学教室HP
  • URL: http://synapse.m.u-tokyo.ac.jp/
• [Remarks] 広島大学 医歯薬保健学研究院 神経生理学教室HP
  • URL: http://home.hiroshima-u.ac.jp/physiol2/