経路選択的な神経回路の操作・制御技術

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Mechanisms underlying the functional shift of brain neural circuitry for behavioral adaptation
• Project/Area Number: 26112002
• Research Institution: Fukushima Medical University
• Principal Investigator: 小林 和人 福島県立医科大学, 医学部, 教授 (90211903)
• Project Period (FY): 2014-07-10 – 2019-03-31
• Keywords: 高頻度逆行性遺伝子導入 / 光遺伝学 / 化学遺伝学 / 刺激弁別学習 / 皮質基底核回路 / 機能シフト

Outline of Annual Research Achievements

我々の研究グループは、遺伝子操作を利用して神経回路を操作・改変する新規技術の開発を進めてきた。本研究では、我々の遺伝子改変技術をさらに発展させ、第一に、神経回路の経路選択的な活動制御を目的に、光や化学物質に応答する膜タンパク質を目的の神経路に導入し、任意の時期に活動を調節する新しい技術（光遺伝学および化学遺伝学）の開発に取り組み、第二に、学習のプロセスに伴って回路が機能シフトをおこす神経機構について、大脳皮質―基底核ループを介するメカニズムの解明に取り組むことを目的にしている。本年度は、細胞種特異的な遺伝子発現システムを利用して、遺伝子改変ラットにおいて線条体の直接路・間接路細胞を同定し、刺激弁別課題中の特定神経細胞の活動を記録する実験系をセットアップした。Cre発現ラットに、ウィルスベクターを注入し、組み換え反応を介して細胞タイプ特異的にチャネルロドプシン遺伝子の発現を誘導し、レーザー刺激により活性化する神経細胞を同定した。化学遺伝学による経路選択的な活動制御のために、昆虫イオン塔型受容体と線虫抑制性イオンチャネルを用いて、線条体直接路・間接路細胞の選択的制御技術を構築した。これらの導入遺伝子を発現するレポーターラット系統およびウィルスベクター系を開発し、細胞タイプ特異的な受容体遺伝子の発現を確認し、活動変化に基づく行動への影響を解析する実験系を確立した。学習プロセスにおける回路の遷移に関わる神経機構を解明するために、大脳皮質―基底核ループ回路に着目し、背内側線条体 (DMS)、背外側線条体 (DLS)、側坐核 (NAc)の寄与を明らかにした。また、学習プロセスの過程で起こる脳内の機能シフトの動態を把握するために、陽電子放射断層撮影法 (positron emission tomography; PET) を用いて脳活動の時間依存的な変化を解析した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

光遺伝学および化学遺伝学の技術を、線条体直接路、間接路の機能解析に応用するまでの技術を確立し、刺激弁別行動の解析のセットアップを行った。また、刺激弁別学習の獲得と実行プロセスの解析について、DLS, DMS、NAcの役割を明らかにするともに、PETを導入し、学習過程での脳活動の時間依存的変化を解析した。

Strategy for Future Research Activity

今年度は、細胞特異的な光遺伝学技術を応用し、遺伝子改変ラットの線条体における直接路・間接路細胞を同定し、刺激弁別課題中の特定神経細胞の活動を記録する。Tac1-Cre、D2R-Creラットに、ウィルスベクターを注入し、組み換え反応を介して、細胞タイプ特異的にチャネルロドプシン遺伝子の発現を誘導する。レーザー刺激により活性化する神経細胞を同定し、課題遂行中の活動を記録する。細胞種特異的な化学遺伝学による経路選択的な活動制御のために、ウィルスベクターかレポーターラットを利用して、線条体の直接路・間接路細胞において昆虫イオン透過型受容体あるいは線虫イオンチャネル遺伝子を発現させる。これらのラットに選択的リガンドを注入し、細胞活動の変化を測定するとともに、活動変化に基づく刺激弁別行動への影響を解析する。また、学習プロセスの過程で起こる脳内の機能シフトの動態を把握するために、陽電子放射断層撮影法 (positron emission tomography; PET) を用いて脳活動の時間依存的な変化の解析を進めてきた。平成２８年度までに、聴覚弁別学習の獲得過程の初期に背側線条体を中心とする神経領域の活動性が増加し、後期には尾側線条体（聴覚線条体）を中心とする神経領域の活動性の増加に遷移する現象が認められた。本年度は、このネットワークの変化の動態をさらに詳細に解析するために、学習過程での線条体領域での神経活動を電気生理学的に評価するとともに、それぞれの領域を不活化することによって学習形成に与える影響を解析する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Navarra University(Spain)
  • Country Name: Spain
  • Counterpart Institution: Navarra University
• [Int'l Joint Research] Basel University(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: Basel University
• [Journal Article] Contribution of propriospinal neurons to recovery of hand dexterity after corticospinal tract lesions in monkeys. (2017)
  • Author(s): Tohyama, T., Kinoshita, M., Kobayashi, K., Isa, K., Watanabe, D., Kobayashi, K., Liu, M., and Isa, T.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 114 Pages: 604-609
  • DOI: 10.1073/pnas.1610787114
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Distinct neural mechanisms for the control of thirst and salt appetite in the subfornical organ. (2017)
  • Author(s): Matsuda, T., Hiyama, T.Y., Nimura, F., Matsusaka, T., Fukamizu, A., Kobayashi, K., Kobayashi, K., and Noda, M.
  • Journal Title: Nat. Neurosci. Volume: 20 Pages: 230-241
  • DOI: 10.1038/nm.4463
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In vivo spiking dynamics of intra- and extra-telencephalic projection neurons in rat motor cortex. (2017)
  • Author(s): Saiki, A., Sakai, Y., Fukabori, R., Soma, S., Yoshida, J., Yawo, H., Kobayashi, K., Kimura, M., and Isomura, Y.
  • Journal Title: Cereb. Cortex Volume: in press Pages: in press
  • DOI: 10.1093/cercor/bhx012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Genetic manipulation of specific neural circuits by use of a viral vector system. (2017)
  • Author(s): Kobayashi, K., Kato, S., and Kobayashi, K.
  • Journal Title: J. Neural Transm. Volume: in press Pages: in press
  • DOI: 10.1007/s00702-016-1674-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gene therapy approaches in the non-human primate model of Parkinson’s disease. (2017)
  • Author(s): Pignataro, D., Sucunza, D., Rico, A.J., Dopeso-Reyes, I.G., Roda, E., Rodríguez-Perez, A.I., Labandeira-Garcia, J.L., Broccoli, V., Kato,S., Kobayashi, K., and Lanciego, J.L.
  • Journal Title: J. Neural Transm. Volume: in press Pages: in press
  • DOI: 10.1007/s00702-017-1681-3
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dopamine synapse is a neuroligin-2-mediated contact between dopaminergic presynaptic and GABAergic postsynaptic structures. (2016)
  • Author(s): Uchigashima, M., Ohtsuka, T., Kobayashi, K., and Watanabe, M.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 113 Pages: 4206-4211
  • DOI: 10.1073/pnas.1514074113
  • 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. and Hashimoto, K.
  • Journal Title: Cell Rep. Volume: 16 Pages: 994-1004
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2016.06.053
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Survival of corticostriatal neurons by small GTPase Rho. (2016)
  • Author(s): Kobayashi, K. Sano, H., Kato, S., Kuroda, K., Nakamuta, S., Isa, T., Nambu, A., Kaibuchi, K., and Kobayashi, K.
  • Journal Title: Neurosci. Lett. Volume: 630 Pages: 45-52
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2016.07.020
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Involvement of mesolimbic dopaminergic network in neuropathic pain relief by Treadmill exercise: A study for specific neural control with Gi-DREADD in mice. (2016)
  • Author(s): Wakaizumi, K., Kondo, T., Hamada,Y., Narita, M., Kawabe, R., Narita, H., Watanabe, M., Kato, S., Senba, E., Kobayashi, K., Kuzumaki, N., Yamanaka, A., Morisaki, H., and Narita, M.
  • Journal Title: Mol. Pain Volume: 12 Pages: pii
  • DOI: 10.1177/1744806916681567
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Neuronal circuits and physiological roles of the basal ganglia in terms of transmitters, receptors and related disorders. (2016)
  • Author(s): Yamada, K., Takahashi, S., Karube, F., Fujiyama, F., Kobayashi, K., Nishi, A., and Momiyama, T.
  • Journal Title: J. Physiol. Sci. Volume: 66 Pages: 435-446
  • DOI: 10.1007/s12576-016-0445-4
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 皮質線条体路による意思決定の制御メカニズムの解析 (2017)
  • Author(s): 吉岡望、加藤成樹、小林和人
  • Organizer: 第122回日本解剖学会
  • Place of Presentation: 長崎
  • Year and Date: 2017-03-28 – 2017-03-30
• [Presentation] 皮質線条体路による意思決定の制御機構-神経回路選択的な操作システムの開発から- (2016)
  • Author(s): 吉岡 望、加藤 成樹、小林 和人
  • Organizer: 生理学研究所研究会
  • Place of Presentation: 岡崎
  • Year and Date: 2016-12-09 – 2016-12-10
  • Invited
• [Presentation] Comparative study of gene transduction efficiency for retrograde gene transfer lentiviral vector with novel fusion envelope glycoproteins. (2016)
  • Author(s): Kato, S., and Kobayashi, K.
  • Organizer: 46th Annual Meeting of Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: San Diego
  • Year and Date: 2016-11-12 – 2016-11-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dorsal striatal indirect pathway modulates the response selection accuracy in performance of an auditory conditional discrimination task (2016)
  • Author(s): Nishizawa, K.,Fukabori, R., Okada, K., Uchigashima, M., Watanabe, M., Shiota, A., Ueda, M., Tsutsui, Y., Kobayashi, K.
  • Organizer: Dopamine 2016
  • Place of Presentation: Vienna
  • Year and Date: 2016-09-05 – 2016-09-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Contribution of propriospinal neurons to recovery of hand dexterity after the corticospinal tract lesion in monkeys (2016)
  • Author(s): Tohyama, T., Kinoshita, M., Kobayashi,K, Isa, K., Watanabe, D., Kobayashi, K., Liu, M., and Isa, T.
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2016-07-20 – 2016-07-22
• [Presentation] Yoshioka, N., Kato, S., Sugawara, M., Kato, N., and Kobayashi, K. (2016)
  • Author(s): Subtype-selective Gene Expression System for Cotricostriaral Neurons: Approach from Double Viral Vector Infection
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2016-07-20 – 2016-07-22
• [Presentation] Cortical spike ensembles of two distinct types of pyramidal neurons and fast-spiking interneurons (2016)
  • Author(s): Saiki, A., Sakai, Y., Fukabori, R., Soma, S., Yoshida, J., Yawo, H., Kobayashi, K., Kimura, M., and Isomura, Y.
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2016-07-20 – 2016-07-22
• [Presentation] Distinct role of cholinergic neuronal groups in basal forebrain on the spatial/object recognition memory (2016)
  • Author(s): Okada, K., NIshizawa, K., Kobayashi, T., Sakata, S., and Kobayashi, K.
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2016-07-20 – 2016-07-22
• [Presentation] The role of cerebellar projections to the centrolateral thalamic nucleus in motor and cognitive functions (2016)
  • Author(s): Sakayori, N., Kato, S., and Kobayashi, K.
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2016-07-20 – 2016-07-22
• [Presentation] Activity of dopamine D2 receptor-expressing striatal neurons during decision-making task (2016)
  • Author(s): Nonomura, S., Yamanaka, K., Nishizawa, K., Kobayashi, K., Sakai, Y., Kawaguchi, Y., Nambu, A., Isomura, Y., and Kimura, M.
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2016-07-20 – 2016-07-22
• [Presentation] Use of an optimized chimeric envelope glycoprotein for enhancement of theefficiency of retrogarade gene transfer of a pseudotyped lentiviral vector in the primate brain (2016)
  • Author(s): Inoue, K., Tanabe, S., Tsuge, H., Ueno, T., Nagaya, K., Fujiwara, M., Sugawara, M., Kato, S., Kobayashi, K., and Takada, M.
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2016-07-20 – 2016-07-22
• [Presentation] Roles of striatal cholinergic interneurons revealed by genetic cell targeting (2016)
  • Author(s): Kobayashi, K.
  • Organizer: OIST minisymposium ”Cholinergic mechanisms in adaptive behaviour”
  • Place of Presentation: Okinawa
  • Year and Date: 2016-04-14 – 2016-04-15
  • Int'l Joint Research / Invited