2016 Fiscal Year Annual Research Report
Diversity of CA1 synapses and the self-entropy analysis after contexual learning
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16H05129
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
美津島 大 山口大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (70264603)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木田 裕之 山口大学, 大学院医学系研究科, 助教 (70432739)
石川 淳子 山口大学, 医学(系)研究科(研究院), 助教 (30570808)
崎本 裕也 山口大学, 医学(系)研究科(研究院), 助教 (40634390)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | シナプス可塑性 / 学習、記憶 / 海馬学習 / リップル / AMPA受容体 / GABAA受容体 / super burst / CA1 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ラットを用いたストレス回避学習実験を行い、スライスパッチクランプ法でCA1シナプスにおける興奮と抑制のシナプス可塑性を解析した。これまでの研究で、回避学習依存的に興奮と抑制のシナプス多様化が見られ、この多様化は学習に必要であることが判明した。今回の研究で両側の背側海馬で発現し、腹側海馬では見られないことが判明した。さらに、学習依存的なシナプス可塑性によるシナプス多様化はエピソード曝露5分以内に開始されることが判明した。多様化されたシナプスをエントロピー解析し、回避学習によって拡大したCA1ニューロンの情報量をKernel密度推計法を用いて解析すると、平均16.9 bit／ニューロンであった。学習後の様々な時間でスライスを作成し、paired-pulse法でシナプス前細胞側のglutamateとGABAの分泌量を解析した所、学習直後には主にBasal dendriteにおけるGABA分泌量が低下し、一方、glutamateの分泌量は一時的に増加した。
自由行動状態での海馬CA1の多ニューロン発火活動に及ぼす影響も検討した。馴化したホームケージ内では散発的な発火活動が中心的にみられるが、10分間の拘束ストレスを負荷すると、自発的な高頻度発火活動(superburst)が発生し、拘束中と解放後に何度もsuperburstが確認された。これはエピソード負荷直後のGABAの脱抑制とglutamateの増加に起因すると考えられる。さらに解放数分後には発火活動の少ないsilent periodと約50msの短い期間に複数の発火活動が同期して発生するripple状発火活動の発現が始まり、このようなOn/Offを繰り返す活動が維持された。これは興奮と抑制のシナプス多様化に起因すると考えられた。拘束ストレス後に発現するripple状発火活動はすべて異なる発火パターンと形状を示し、高い多様性とエントロピーは、時間と共に動的に変化した。
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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
本研究はストレス回避学習を用いて、海馬CA1におけるエピソード学習のメカニズム解明を目指している。スライスパッチクランプ法を用いた解析は順調に推移し、記憶情報の集積部位が判明し、エピソード曝露何分後にシナプス前細胞側とシナプス後細胞側でそれぞれどのような可塑性が見られるのかを、興奮性シナプスと抑制性シナプスそれぞれで明らかにした。さらに、Kernel密度推計法をを用いて多様化したシナプスの発現確率をニューロン毎に解析し、各ニューロンの発現確率から自己エントロピーを計算し、ニューロン毎に内在する情報量は異なること、1ニューロン当たりの情報量は学習で急性的に拡大することを明らかにした。予想外だった点として、in vivoの多ニューロン発火活動の記録実験が挙げられる。当初はパッチクランプと同様のストレス回避学習を実験課題として用いたが、回避学習に用いる電気ショックが記録障害を引き起こすため、急遽動物の四肢をガーゼ紐で固定する拘束ストレスをエピソード課題として採用した。拘束ストレスのエピソードも学習成立を確認し、学習前後の発火活動の変化を連続的に捉えることが出来た。エピソード曝露中や直後に発生する自発性高頻度発火活動(superburst)に続き、高い多様性をもって動的に変化するリップル状発火活動とsilent peripdが何度も繰り返し発現し、このような特徴的な自発発火活動は30分以上維持された。superburstの積算時間と、ripple状発火活動の回数と有意な正の相関が見られた。今後は、GABA脱抑制、glutamate分泌増加、superburst、興奮と抑制のシナプス多様化、ripple状発火活動、silent periodと学習の因果関係を証明していく必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究から、in vitroのLTP誘発実験とは異なる、in vivo学習の様々な現象を発見した。エピソードの曝露直後からプレシナプス側からのGABA分泌量低下による急性的な脱抑制が起き、続いてプレシナプス側からのglutamate分泌増加による興奮性入力の増加、自発性の高頻度発火活動であるsuperburstが確認された。その後10分以内に、興奮と抑制のシナプス多様化が完成し、この時期のin vivo発火活動としてはripple状同期発火活動とsilent periodの繰り返し発現が続き、特徴的な自発発火活動が維持された。今後は、これらの事象と学習の因果関係をさらに証明していく必要がある。回避学習によるシナプス多様化は両側の背側海馬で発現し、腹側海馬では見られないことが判明しているため、光遺伝学的手法により両側の背側CA1のinter neuronをエピソード曝露と同時に光刺激してGABAの脱抑制をブロックし、シナプス多様化に対する影響、学習成績に及ぼす影響を検討する。
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[Journal Article] Astrocyte-expressed FABP7 regulates dendritic morphology and excitatory synaptic function of cortical neurons.2016
Author(s)
Ebrahimi M, Yamamoto Y, Sharifi K, Kida H, Kagawa Y, Yasumoto Y, Islam A, Miyazaki H, Shimamoto C, Maekawa M, Mitsushima D, Yoshikawa T, Owada Y.
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Journal Title
Glia
Volume: 64
Pages: 48-62
DOI
Peer Reviewed
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