2018 Fiscal Year Annual Research Report
記憶をつくるシナプス・細胞集団の光技術による可視化と動態解析
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18H02527
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
川口 真也 京都大学, 産官学連携本部, 特定准教授 (00378530)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | シナプス可塑性 / 小脳 / 学習 / 軸索終末 / イメージング / 可視化 / 活動電位 / シナプス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
動物の記憶・学習を実現する神経回路の機能変化の実体は、未だに良く分かっていない。本研究では、動物の運動制御を担う小脳に焦点をあて、申請者が独自開発を続けている学習の細胞基盤であるシナプス可塑性を検出する蛍光プローブと細胞膜電位の蛍光イメージングを組み合わせる。そして、シナプス可塑性がいかに個々の神経細胞の情報処理を変化させ、それが神経回路レベルでどのような演算変化を生み出すかを明らかにすることを目指す。最終的に、記憶のメカニズムを分子・細胞レベルから神経回路レベルまで階層縦断的に理解することが本研究の目的である。
本年度は、神経細胞活動の時空間動態をこれまでにない高精細な解像度で捉える画期的な技術として、細胞膜電位感受性の蛍光タンパク質の改良に取り組み、膜電位変化の時間追従性を飛躍的に向上させ、また、蛍光強度変化をより高感度にする遺伝子改変に成功した。そして、それを小脳プルキンエ細胞に発現させ、樹状突起でのシナプス可塑性発現に伴いダイナミックに変化する細胞の電気活動について時空間動態を解析した。その結果、これまで想定されていなかった長期持続する軸索終末部でのユニークな機能変化を見出すことに成功した。これは、小脳神経回路が運動学習を実現する際に、そこでの情報処理を大規模に変化させ得る新しいメカニズムとなる可能性があり、現在もその分子メカニズムおよび機能的意義について精力的に解析を進めている。
一方、培養皿上の神経細胞群の可塑的性質に関して、樹状突起や軸索での局所的な遺伝子発現制御を担うmRNAのメチル化制御の重要性を電気生理学記録を駆使して明らかにし、論文に公刊した（Merkurjev et al., 2018)。こうした知見は、培養神経回路が学習能を発揮する基礎メカニズムの理解を深めるものである。
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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
本年度見出した、プルキンエ細胞での可塑性誘導に伴って軸索終末部でおこる長期機能変化は、これまで知られていない新しいタイプの神経細胞の可塑性であり、それは神経回路での情報処理の柔軟性を理解する上で有用な知見である。また、それを可能にした細胞膜電位変化を検出する蛍光プローブタンパク質の改良は、神経細胞・回路の機能に関して時空間動態を簡便に捕捉することを可能にする画期的なものである。したがって、研究計画はおおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に新たに見出した軸索終末での長期可塑性について、その発現の基盤となる分子メカニズムおよび機能的な役割を、膜電位イメージング及び直接パッチクランプ記録などを駆使して明らかにすることを計画している。また、分散培養だけでなく、スライス培養においても同様の長期可塑性が起こるか否かを検討したいと考えている。並行して、膜電位イメージングを駆使して、プルキンエ細胞の樹状突起でのシナプス可塑性について、その発現の空間的パターンを精密に調べ、長期抑圧を検出する別の蛍光イメージングプローブとの整合性を検討することで、運動学習の基礎となる神経細胞の様々な可塑性の時空間動態の理解を深化させたいと考えている。
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