2017 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular mechanisms underlying activity-dependent reorganization of neural circuits in the olfactory bulb on the basis of adult neurogenesis
| Project/Area Number |
16H04664
|
|---|
| Research Institution | Nara Medical University |
|---|
Principal Investigator |
坪井 昭夫 奈良県立医科大学, 医学部, 教授 (20163868)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 弘雄 奈良県立医科大学, 医学部, 講師 (20390685)
吉原 誠一 奈良県立医科大学, 医学部, 講師 (90360669) [Withdrawn]
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | 成体神経新生 / 嗅球介在ニューロン / 神経活動依存性 / 神経可塑性 / 嗅覚系 / 神経回路形成 / 匂いの検出感度 / 匂いの識別 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
嗅球介在ニューロンは神経細胞としては例外的に、胎生期のみならず成体期でも常時新生され、既存の神経回路に編入されている。また、嗅球の神経回路は匂い経験に依存して再編されるという可塑性を有するが、その機構は不明である。申請者らはこれ迄に、膜蛋白質5T4や転写因子Npas4は神経活動依存的に発現して、嗅球介在ニューロンの樹状突起の枝分れやシナプス形成を正に制御していることを解明した（J Neurosci 32, 2217, 2012; Cell Rep 8, 843, 2014）。そこで本研究では、5T4・Npas4欠損マウスにおける新生ニューロンの発達異常が、匂いの感知や識別学習にどの様な影響を及ぼすのかを行動学的・電気生理学的に解析すると共に、光遺伝学や薬理遺伝学の手法を駆使することで、新生ニューロンによる神経回路再編の機構とその生理的な意義を解明する。
これまでに本研究において、匂い情報を処理している嗅球介在ニューロン（傍糸球細胞と顆粒細胞）の中でも、顆粒細胞のサブタイプが発達する際に、膜蛋白質5T4を匂い刺激に応じて産生することにより、樹状突起の枝分れを促進して、匂いを感じる度合いを高めていることを明らかにした（J Neurosci 36, 8210, 2016）。また興味深いことに、5T4遺伝子を欠損した顆粒細胞のサブタイプでは、他の神経細胞と間のシナプス結合が減少しており、その結果、匂いの検出感度が100倍も低下し、２種類の全く異なる匂いを識別できなくなっていた（J Neurosci 36, 8210, 2016）。これらの成果は、The Journal of Neuroscience誌（2016年8月3日号）に掲載され、その表紙を飾った。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
嗅球介在ニューロンは神経細胞としては例外的に、胎生期のみならず成体期でも常時新生され、既存の神経回路に編入されている。また、嗅球の神経回路は匂い経験に依存して再編されるという可塑性を有するが、その機構は不明である。申請者はこれ迄に、膜蛋白質5T4や転写因子Npas4は神経活動依存的に発現して、嗅球介在ニューロンの樹状突起の枝分れやシナプス形成を正に制御していることを解明した（J Neurosci 32, 2217, 2012; Cell Rep 8, 843, 2014）。
そこで本研究では、5T4・Npas4 欠損マウスにおける新生ニューロンの発達異常が、匂いの感知や識別学習にどの様な影響を及ぼすのかを行動的・電気生理学的に解析すると共に、光遺伝学や薬理遺伝学の手法を駆使することで、新生ニューロンによる神経回路再編の機構とその生理的な意義を明らかにする。
申請者らはこれまでに、匂い情報を処理している顆粒細胞のサブタイプが発達する際に、膜蛋白質5T4を匂い刺激に応じて産生することにより、樹状突起の枝分れを促進して、匂いを感じる度合いを高めていることを明らかにした（J Neurosci 36, 8210, 2016）。また興味深いことに、5T4遺伝子を欠損した顆粒細胞のサブタイプでは、他の神経細胞と間のシナプス結合が減少しており、その結果、匂いの検出感度が100倍も低下し、２種類の全く異なる匂いを識別できなくなっていた（J Neurosci 36, 8210, 2016）。これらの成果は、The Journal of Neuroscience誌（2016年8月3日号）に掲載され、その表紙を飾り、9月15日付の朝日新聞（全国版）の科学欄などでも取り上げられた。
|
| Strategy for Future Research Activity |
A）5T4欠損マウスの行動学的・電気生理学的な解析：前年度に続き、5T4顆粒細胞特異的にチャネルロドプシンを発現するマウスを、行動学的・電気生理学に解析することで、特定の嗅球介在ニューロンによる神経回路での情報処理と、特定の嗅覚行動の発現に関連性があるかどうかを明らかにする。
B）Npas4欠損マウスの行動学的・電気生理学的な解析：嗅球介在ニューロンの樹状突起におけるスパイン形成も、匂い刺激により生じる神経活動に応じて制御されている。本研究では、胎生期と成体期で生まれ、顆粒細胞の樹状突起のスパイン密度が減少しているNpas4欠損マウスを解析する。そして、顆粒細胞層の表層と深層に存在するNpas4ニューロンが、神経回路での情報処理や嗅覚行動の発現に、どのような役割を果たしているのかを明らかにする。
C）新生ニューロンに関するDREADDを用いた薬理遺伝学的な解析：5T4・Npas4欠損マウスを用いる場合、介在ニューロン自体の形態変化による機能不全（直接的）と、介在ニューロンの形態変化に伴う周囲のニューロンの変化による機能不全（間接的）が考えられ、どちらが嗅覚行動の異常に関与しているのかが分からない可能性が懸念される。そこで、DREADDを用いた薬理遺伝学的な解析を行い、特定の嗅球介在ニューロンの神経活動を一時的に活性化または抑制することにより、嗅覚行動への影響を検討する。リガンドCNOに特異的に反応し、神経活動を活性化する（hM3Dq）または 抑制する(hM4Di)受容体遺伝子を、CMVや5T4プロモーターを用いて、多くの顆粒細胞や特定の顆粒細胞のみでそれぞれ発現させて、行動学的・電気生理学的に解析する。その際、レンチウイルスを感染させる時期を胎生・幼若・成体期と変えて、ニューロンの生まれる時期に応じて、それを活性化・抑制することで、神経回路での情報処理と嗅覚行動の発現にどのような影響を及ぼすかを検討する。
|
