ニューロン電位活動の光学的マッピングによる脊髄神経回路網の機能的形成過程の追跡

1998 Fiscal Year Final Research Report Summary

• Project/Area Number: 09680788
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Neuroscience in general
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: 佐藤 容子 東京医科歯科大学, 大学院・医歯学総合研究科, 講師 (70251501)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐藤 勝重 東京医科歯科大学, 医学部, 助手 (80291342)
• Project Period (FY): 1997 – 1998
• Keywords: 脊髄 / 光学的測定 / development / 神経回路 / 機能形成 / 画像イメージ

Research Abstract

個体発生の過程において、中枢神経系を構成するニューロン群が神経回路網を形成していくプロセスは、神経系の機能的構築を理解する上で、最も基本的な問題点の一つである。脊髄は、中枢神経系の中では比較的単純な細胞構築からなるが、機能的には複数の入力・出力が複雑に絡み合い、統合されている極めて高度な機能構造体である。われわれは、膜電位感受性色素とニューロン電位活動の光学的多チャネル測定法を発生初期胚脊髄に適用し、個体発生に伴う脊髄内神経回路網の機能形成過程について解析を行った。
孵卵8日の鶏胚脊髄スライス標本において、脊髄神経の刺激によって誘発される光学的シグナルは、刺激側のventral hornおよびdorsal hornの二つの領域から検出された。この二つの応答領域で、シグナルはそれぞれ速いスパイク状の成分(fast-signal)とそれに続く時間経過の遅い成分(slow-signal)からなり、このうちslow-signalは、外液Ca^<2+>依存性や疲労現象などの特性からシナプス後電位であることが明らかとなった。一方fast-signalは、外液Ca^<2+>除去によって影響されず、テトロドトキシンによって消失することから、活動電位に相当するシグナルであることがわかった。脊髄の細胞構築との対応から、ventralのfast-signalは逆行性刺激によって運動神経細胞に生じた活動電位であり、slow-signalは感覚神経の順行性刺激によって引き起こされたものであることが示唆された。dorsal hornとventral hornではslow-signalの波形や特性に違いが見られ、ventralの方が立ち上がりや時間経過が遅く、またシナプス疲労が速い、coolingからの回復が遅いなどの特性を示した。われわれは、光学的シグナルの時間的・空間的マッピングを行い、sensory neuron→inter-neuron→motoneuronにいたる脊髄神経回路網の活動パターンを、画像イメージとして捉えることに成功した。

Research Products

• [Publications] Sato、K.: "Optical illustration of glutamate-induced cell swelling coupled with membrane depolarization in embryonic brain stem slices."NeuroReport. 8. 3559-3563 (1997)
• [Publications] Momose-Sato、Y.: "Optical characterization of a novel GABA response in early embryonic chick brainstem."Neuroscience. 80. 203-219 (1997)
• [Publications] Sakai,T.: "Optical mapping of conduction patterns of normal and tachycardia-like excitations in the rat atrium."Japanese Journal of Physiology. 47. 179-188 (1997)
• [Publications] Sato,K.: "Optical mapping of neural responses in the embryonic rat brainstem with reference to the early functional organization of vagal nuclei."Journal of Neuroscience. 18. 1345-1362 (1998)
• [Publications] Momose-Sato、Y.: "GABA-induced intrinsic light-scattering changes associated with voltage-sensitive dye signals in embryonic brainstem slices : coupling of depolarization and cell shrinkage."Journal of Neurophysiology. 79. 2208-2217 (1998)
• [Publications] Sakai、T.: "Optical monitoring of synaptic transmission in bullfrog sympathetic ganglia using a voltage-sensitive dye."Neuroscience Letters. 242. 1-4 (1998)
• [Publications] Momose-Sato、Y.: "Optical imaging of spatiotemporal patterning of neural responses in the embryonic chick superior cervical ganglion."Neuroscience. 90. 1069-1083 (1999)
• [Publications] Momose-Sato、Y.: "Optical identification of calcium-dependent action potenyials transiently expressed in the embryonic rat brainstem."Neuroscience. 90. 1293-1310 (1999)
• [Publications] Arai、Y.: "Optical mapping of neural network activity in chick spinal cord at an intermediate stage of embryonic development."Journal of Neurophysiology. 81. 1889-1902 (1999)
• [Publications] 新井嘉容: "脊髄神経活動の光学的計測."脊髄電気診断学. 19. 33-36 (1997)
• [Publications] 神野耕太郎: "ニューロン電位活動の光学的計測研究の進歩."膜. 23. 186-195 (1998)
• [Publications] 新井嘉容: "光学的多チャンネル計測法による脊髄神経回路形成の探索."脊髄電気診断学.
• [Publications] 神野耕太郎: "膜電位感受性色素を用いた計測と解析法"日本生理学雑誌. (in press). (1999)
• [Publications] Sato,K.: "Optical mapping of neural responses in the embryonic rat brainstem : early functional organization of vagal nuclei.In "Frontiers of Neural Development""Springer-Verlag,Tokyo. 6 (1998)
• [Publications] 神野耕太郎: "「脳の科学」創刊号.脳の機能発生/形成を光学的イメージングでとらえる."星和書店. 7 (1998)
• [Publications] 佐藤勝重: "膜電位の光学的計測.Non-RI分子生物学実験プロトコール"羊土社,(in press).