Understanding of motor control and learning and memory mechanism using mice harboring altered expression of D1/D2 dopamine receptors

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H02540
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 笹岡 俊邦 新潟大学, 脳研究所, 教授 (50222005)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 南部 篤 生理学研究所, システム脳科学研究領域, 教授 (80180553) ; 知見 聡美 生理学研究所, システム脳科学研究領域, 助教 (30396262) ; 木津川 尚史 大阪大学, 生命機能研究科, 准教授 (10311193) ; 田井中 一貴 新潟大学, 脳研究所, 教授 (80506113) ; 崎村 建司 新潟大学, 脳研究所, フェロー (40162325)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: ドーパミン受容体 / 大脳基底核回路 / 運動制御 / 学習記憶 / 全脳透明化 / パーキンソン病 / 報酬学習／忌避学習 / 画像解析

Outline of Annual Research Achievements

(1)代表者らが作製したD1Rノックダウン(D1RKD)マウスは、ドキシサイクリン(Dox)投与でD1Rが欠損すると運動量が減少する。大脳基底核神経細胞の電気生理学的解析により、直接路の投射先(脚内核)と、間接路の投射先(淡蒼球外節)の活動は、大脳皮質刺激による運動指令は大脳基底核の３つの経路により脚内核に達し、正常では３相性（興奮-抑制-興奮）の神経活動として出力されるが、D1R欠損の場合は２相目の「抑制」の神経活動が消失した。この結果から、D1Rの情報伝達は直接路の伝達と、運動の発現に不可欠であること、直接路の信号の動的な伝達の減少が本質的な変化であることを見出している。D1RKDマウスにDoxを投与し、D1R欠損の時期に、運動学習能力をRotarodにより、学習記憶能力を受動的回避試験により解析した。運動能力を詳細に解析するため、ステップホイール課題を用いて検定した。
(2)D1R KDマウスとArc-dVenusマウスとの複合マウスを用いて、D1Rの伝達を遮断した際の忌避学習で活動が変化する神経細胞をCUBIC法で光シート顕微鏡を用いて高解像度で三次元的に解析した。
(3)D1RKDマウスと同様に、Dox投与でD2Rが欠損するD2RKDマウスを作製し、Dox投与によりHome cage運動量の計測を行った。D2RKDマウスの電気生理学的解析に先立ち、覚醒下のD2Rノックアウト(KO)マウスにおいて淡蒼球外節の神経活動を記録し、自発活動および大脳皮質の電気刺激に対する応答様式を調べた結果、D2Rを介する情報伝達は、間接路を介する情報伝達に対して抑制性に作用することがわかった。
(4)D2RのスプライシングバリアントD2R Long型(D2RL)とD2R Short型(D2RS)の機能を解析するため、Creドライバー依存的にD2RS欠損を惹起するマウスを作製した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

(1) D1Rノックダウン(D1RKD)マウスを用いて、Rotarod試験およびステップホイール試験による運動学習、受動的回避試験による学習記憶の成績を解析したところ、成熟期にD1RKDマウスをD1R欠損とすると、D1R単純欠損マウスよりもいずれの試験の成績が低下し、D1R発現を回復させると、運動学習試験の成績、学習記憶試験の成績が回復したことから、成熟期の直接路の情報伝達が、運動学習および学習・記憶に重要である結果を得た。ステップホイールを用いた走行能力解析の結果、DoxによりD1Rを欠失した状況下のD1RKDマウスは、走行能力が顕著に低下していることを見出した。
(2) D1R KDマウスとArc-dVenusマウスとの複合マウスを用いて、Dox投与によるD1R欠損の状態の下で、電気刺激による忌避刺激を行った結果、野性型マウスでは広範囲にわたる大脳皮質の神経細胞の活性化が見られることに比べ、D1R欠損の状態のD1RKDマウスでは大きく抑制される結果を得た。
(3) Dox投与でD2Rが欠損するD2RKDマウスが作製できたので、Dox投与でD2Rが欠損した状態でHome cage運動量の計測を行ったところ、Dox投与４週後に運動量が低下している結果を得た。現在、D2R遺伝子発現量と様式の解析を行っている。D2RKDマウスの電気生理学的解析に先立ち、比較のためにD2RKOマウスの神経活動の解析を行い、大脳基底核内情報伝達におけるD2Rの機能解明に迫る結果を得た。
(4)Creドライバー依存的にD2RS欠損を惹起するマウスの作製に関して、生殖系列遺伝するノックインマウスの樹立に成功し、現在ネオマイシン耐性遺伝子を除く交配をおこなっている。

Strategy for Future Research Activity

(1)走行運動に脳のどの部位のD1Rが必要かを調べるために、線条体に局所的にD1R阻害薬を投与する。D2Rノックダウンマウスについてもステップホイールで運動能力を測定する。記憶学習能力の検定のため、恐怖条件づけ、タッチパネル学習試験等の行動試験を行う。
(2)マウス全脳における統計的な比較解析を推進するために、個体ごとのイメージングデータを共通の参照脳に統合し、各解剖学的領域における活動変化を定量的に評価可能な解析基盤を整備する。また、cFos-GFPマウスとの複合マウスを作製し、学習記憶の試験時において活性化する神経細胞の解析を全脳レベルで行う。また、磁気共鳴イメージング(MRI)により、D1R欠損の状態の画像的解析を行う。
(3)D2RKDマウスでは、D2Rが発現している状態と発現していない状態における運動パフォーマンスと神経活動の違いを、同一個体において比較することができる。これらの解析を行うことにより、大脳基底核内情報伝達と運動制御におけるD2Rの機能解明を目指す。
(4)Creドライバー依存的にD2RS欠損を惹起するマウスの作製に関して、生殖系列遺伝するノックインマウスとCreドライバーマウスとを交配させ、当該のD2RS遺伝子の欠損を引き起こした個体を作出して解析に供する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] イリノイ大学シャンペーン校(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: イリノイ大学シャンペーン校
• [Int'l Joint Research] DANDRITE, Aarhus University(デンマーク)
  • Country Name: DENMARK
  • Counterpart Institution: DANDRITE, Aarhus University
• [Int'l Joint Research] San Pablo-CEU University(スペイン)
  • Country Name: SPAIN
  • Counterpart Institution: San Pablo-CEU University
• [Journal Article] The effect of zonisamide on L-DOPA-induced dyskinesia in Parkinson’s disease model mice (2019)
  • Author(s): Sano H, Nambu A
  • Journal Title: Neurochem Int Volume: 124 Pages: 171-180
  • DOI: 10.1016/j.neuint.2019.01.011
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Differential behavioral phenotypes of dopamine D1 receptor knockdown mice at the embryonic, postnatal, and adult stages. (2018)
  • Author(s): Okubo T, Sato A, Okamoto H, Sato T, Sasaoka T
  • Journal Title: Int J Dev Neurosci. Volume: 66 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1016/j.ijdevneu.2017.11.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chemical Landscape for Tissue Clearing Based on Hydrophilic Reagent (2018)
  • Author(s): Tainaka K, Murakami TC, Susaki EA, Shimizu C, Saito R, Takahashi K, Hayashi-Takagi A, Sekiya H, Arima Y, Nojima S, Ikemura M, Ushiku T, Shimizu Y, Murakami M, Tanaka KF, Iino M, Kasai H, Sasaoka T, Kobayashi K, Miyazono K, Morii E, Isa T, Fukayama M, Kakita A, Ueda HR.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 24 Pages: 2196-2210
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2018.07.056
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Generation of functional oocytes of common marmoset by xeno-transplantation of ovarian tissue (2018)
  • Author(s): Shiori Miura, Yoshitaka Maeda, Jun Miyamoto, Ena Nakatsukasa, Nobuyoshi Fujisawa, Miki Miwa, Katsuki Nakamura, Kenji Sakimura and Toshikuni Sasaoka
  • Journal Title: Proceedings of International Symposium on Animal Production and Conservation for Sustainable Development 2018 Volume: なし Pages: 31-33
• [Journal Article] Development of stereotaxic recording system for awake marmosets (Callithrix jacchus) (2018)
  • Author(s): Wakabayashi M, Koketsu D, Kondo H, Sato S, Ohara K, Polyakova Z, Chiken S, Hatanaka N, Nambu A
  • Journal Title: Neurosci Res Volume: 135 Pages: 37-45
  • DOI: 10.1016/j.neures.2018.01.001
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Two-photon imaging of neuronal activity in motor cortex of marmosets during upper-limb movement tasks (2018)
  • Author(s): Ebina T, Masamizu Y, Tanaka YR, Watakabe A, Hirakawa R, Hirayama Y, Hira R, Terada S, Koketsu D, Hikosaka K, Mizukami H, Nambu A, Sasaki E, Yamamori Y, Matsuzaki M
  • Journal Title: Nat Commun Volume: 9 Pages: 1879
  • DOI: 10.1038/s41467-018-04286-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Recruitment of calbindin into nigral dopamine neurons protects against drug-induced parkinsonism. Mov Disord [Epub ahead of print] doi: 10.1002/mds.107 (2018)
  • Author(s): Inoue K, Miyachi S, Nishi K, Okado H, Nagai Y, Minamimoto T, Nambu A, Takada M
  • Journal Title: Mov Disord Volume: 34 Pages: 200-209
  • DOI: 10.1002/mds.107
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Monitoring and updating of action selection for goal-directed behavior through the striatal direct and indirect pathways (2018)
  • Author(s): Nonomura S, Nishizawa K, Sakai Y, Kawaguchi Y, Kato S, Uchigashima M, Watanabe M, Yamanaka K, Enomoto K, Chiken S, Sano H, Soma S, Yoshida J, Samejima K, Ogawa M, Kobayashi K, Nambu A, Isomura Y, Kimura M
  • Journal Title: Neuron Volume: 99(6) Pages: 1302-1314.e5
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2018.08.002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Length of myelin internodes of individual oligodendrocytes are controlled by microenvironment influenced by normal and input-deprived axonal activities in sensory deprived mouse models (2018)
  • Author(s): Osanai Y, Shimizu T, Mori T, Hatanaka N, Kimori Y, Kobayashi K, Yoshimura Y, Nambu A, Ikenaka K
  • Journal Title: Glia Volume: 66 Pages: 2514-2525
  • DOI: 10.1002/glia.23502
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sensory nerve supports epithelial stem cell function in healing of corneal epithelium in mice: the role of trigeminal nerve transient receptor potential vanilloid 4 (2018)
  • Author(s): Okada Y, Sumioka T, Ichikawa K, Sano H, Nambu A, Kobayashi K, Uchida K, Suzuki Y, Tominaga M, Reinach PS, Hirai SI, Jester JV, Miyajima M, Shirai K, Iwanishi H, Kao WW, Liu CY, and Saika S
  • Journal Title: Lab Invest Volume: 99 Pages: 210-230
  • DOI: 10.1038/s41374-018-0118-4
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] New neurons use Slit-Robo signaling to migrate through the glial meshwork and approach the lesion for functional regeneration (2018)
  • Author(s): Kaneko N, Herranz-P?rez V, Otsuka T, Sano H, Ohno N, Omata T, Nguyen HB, Thai TQ, Nambu A, Kawaguchi Y, Garc?a-Verdugo JM, Sawamoto K
  • Journal Title: Science Advances Volume: 4(12) Pages: eaav0618
  • DOI: 10.1126/sciadv.aav0618.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Elucidation of motor control mechanism using genetically modified mice harboring tetracycline regulated expression of D1/D2 dopamine receptors (2019)
  • Author(s): 齊藤奈英、知見聡美、大久保朝子、阿部学、川村名子、山口瞬、崎村建司、田井中一貴、南部篤、笹岡俊邦
  • Organizer: 第8回生理研-霊長研-脳研合同シンポジウム
• [Presentation] Control of mRNA translation by hnRNP A/B variants (2019)
  • Author(s): Nanaho Fukuda, Piergiorgio Percipalle, Kevin Czaplinski, Yasumasa Ishida, Tomoyuki Fukuda, and Toshikuni Sasaoka
  • Organizer: 第8回生理研-霊長研-脳研合同シンポジウム
• [Presentation] 異種間移植マーモセット卵巣由来卵子による受精卵作出法の検討 (2019)
  • Author(s): 中務胞、宮本純、藤澤信義、夏目里恵、三浦詩織、阿部学、三輪美樹、中村克樹、崎村建司、笹岡俊邦
  • Organizer: 第8回生理研-霊長研-脳研合同シンポジウム
• [Presentation] 新潟大学における中型実験動物の飼育管理と利用 (2019)
  • Author(s): "三浦詩織、藤澤信義、宮本純、小田佳奈子、福田七穂、内山澄香、 田中稔、山本美丘、作間赳法、阿部光寿、齊藤奈英、鈴木康浩、 中務胞、夏目里恵、小林隆、三浦宏平 、崎村健司、若井俊文、 笹岡俊邦"
  • Organizer: 第8回生理研-霊長研-脳研合同シンポジウム
• [Presentation] ドーパミン受容体及びＮＭＤＡ受容体変異マウスを用いた大脳基底核回路の機 能解析 (2018)
  • Author(s): 笹岡 俊邦, 佐藤 朝子, 知見 聡美, 大久保 直, 齊藤 奈英, 福田七穂, 内山 澄香, 作間 赳法, 阿部 光寿, 田中 稔, 山本 美丘, 三浦詩織, 阿部 学, 川村 名子, 小田 佳奈子, 佐藤 俊哉, 岡本浩嗣, 藤澤 信義, 田井中一貴, 崎村 建司, 南部 篤
  • Organizer: 科学研究費補助金「新学術領域研究(研究領域提案型)」 非線形発振現象を基盤としたヒューマンネイチャーの理解「オシロロジー」 2018 年度第 1 回領域会議
• [Presentation] Ｄ１/Ｄ２ドーパミン受容体コンディショナル発現マウスによる運動制御機構の解明 (2018)
  • Author(s): 笹岡 俊邦, 佐藤 朝子, 知見 聡美, 大久保 直, 阿部 学, 川村 名子, 齊藤 奈英, 小田 佳奈子, 作間 赳法, 内山 澄香, 阿部 光寿, 田中 稔, 山本 美丘, 神保 幸弘, 佐藤 俊哉, 藤澤 信義, 崎村 建司, 南部 篤
  • Organizer: 第４１回日本神経科学大会
• [Presentation] hnRNP A/Bバリアントによる mRNA局在化の制御 (2018)
  • Author(s): 福田 七穂、石田 靖雅、福田 智行、笹岡 俊邦
  • Organizer: "第41回日本分子生物学会年会 ワークショップ 新たな機能が明らかになる RNA結合タンパク質の生物学―原 子・分子レベルの解析から神経機能と臨床応用まで―"
• [Presentation] D1/D2ドーパミン受容体コンディショナル発現マウスによる運動制御機構の解明 (2018)
  • Author(s): 笹岡 俊邦、佐藤 朝子、知見 聡美、大久保 直、齊藤 奈英、福田 七穂、阿部 学、川村 名子、小田 佳奈子、佐藤 俊哉、藤澤 信義、山口 瞬、田井中 一貴、崎村 建司、南部 篤
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] D1/D2ドーパミン受容体コンディショナル発現マウスによる運動制御機構の解明 (2018)
  • Author(s): 笹岡 俊邦、齊藤 奈英、知見 聡美、佐藤 朝子、大久保 直、福田 七穂、阿部 学、川村 名子、小田 佳奈子、佐藤 俊哉、藤澤 信義、山口 瞬、田井中 一貴、崎村 建司、南部 篤
  • Organizer: 平成30年度先端モデル動物支援プラットフォーム 成果発表会
• [Remarks] 新潟大学脳研究所 脳研コラム ホームページ
  • URL: http://www.bri.niigata-u.ac.jp/result/lab_animal/000126.html
• [Remarks] 新潟大学脳研究所 研究成果・実績 ホームページ
  • URL: http://www.bri.niigata-u.ac.jp/result/lab_animal/000833.html
• [Remarks] 新潟大学脳研究所 動物資源開発研究分野 ホームページ
  • URL: http://www.bri.niigata-u.ac.jp/field/lab_animal/index.html