Analysis for sensory neural network formation

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K14840
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 芝田 晋介 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 講師 (70407089)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 感覚神経 / 触覚 / 神経回路網 / 神経回路形成 / 発生

Outline of Annual Research Achievements

本プロジェクトの主目的は、ヒトを含む多くの生物種が生存していくために必要不可欠である「触覚」を担っている神経回路の形成過程を解明することであり、令和元年度は当初の計画通り標的因子群の解析を実施してメカニズムの一端を解明することに成功し、最終年度の令和二年度にMRIや電子顕微鏡を駆使しマクロのMRIから、ミクロの電子顕微鏡解析までの画像解析を実施する。
本研究開始以前までには、末梢神経損傷後や脊髄損傷後の回復過程において、回路形成異常をきたした一部の神経回路の線維が「触覚」の刺激に基づいて「痛み」を生じる回路に異常乗り入れすると考えられていたが、その「痛み」の発生機序はこれまで十分に明らかにはなっていなかった。末梢神経損傷後や脊髄損傷後の回復過程や正常発生の異常によっても起こりうる、この「痛み」の発生機序の詳細を解明するために、「触覚」の異常をきたす複数の遺伝子改変動物に注目し、周囲から触覚情報を得るための神経回路の形成過程に関する基礎的なデータを得ることを目指した本プロジェクトを平成30年度から開始した。初年度には、光学顕微鏡レベルで感覚神経回路の組織異常を可視化することに取り組み、同時に「触覚」に関する行動学的な異常を定量評価することを目指した。二年目となる令和元年度には、次世代シークエンサーを応用して標的因子群の網羅的な解析を実施し、「触覚」の回路形成異常を引き起こす分子群を網羅的に先入観無く捉えることができ、「触覚」の回路形成の分子メカニズムについてその一端を明らかにすることができたと考えている。最終年度である次年度のMRIおよび光学顕微鏡、電子顕微鏡の並行観察を実施することにより、マクロのMRIからミクロの電子顕微鏡解析までの異なる解像度での解析を同一系統のマウスに施行することにより、回路形成異常を起こした「触覚」神経回路の全容を解明することを目指している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

令和元年度における研究成果としては、当初の計画通り進めることができ、研究計画(3)～(4)にて実施予定だったRNA結合蛋白質の標的因子群の二次解析を実施し、「触覚」を担う神経回路の形成に異常を引き起こす分子メカニズムの一端を明らかにする研究を実施することができた。
研究計画(3)では標的スクリーニングを行い、標的をランク付けすることに成功し、神経回路の形成に関わる分子群のカタログ入手に成功した。その結果に基づき、研究計画(4)にて実施予定だったWestern blotting法および蛍光多重染色法を用いて、標的の発現細胞および発現量などについて解析を実施することができた。この結果を基に、さらに最終年度である令和2年度には、研究計画(5)～(6)にて予定しているMRIおよび電子顕微鏡の観察に応用し、マクロのMRIから、ミクロの電子顕微鏡解析まで同一系統の個体で実施することで、形成異常を引き起こした「触覚」神経回路を様々な解像度で可視化することができるか検証することによって、最終的に回路網形成異常を起こす異常な「触覚」神経回路の全容を解明する研究を計画通り遂行することができる見通しであることから、おおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度には申請当初の計画通り、研究計画(5)～(6)にて予定していたMRIおよび電子顕微鏡による神経回路のイメージングを実施する。神経刺激時のマクロのfMRIのデータから、ミクロの電子顕微鏡解析まで同一系統の個体で実施することによって、神経回路の形成異常を起こした「触覚」を担う神経回路の形成状態を様々な解像度から可視化することを目指す。すでに、野生型における予備実験の検証は完了しており、神経回路網の形成異常を起こした異常な「触覚」を担う神経回路を様々な解像度で可視化する研究を計画した通りに遂行するための準備は十分に整っているため、計画通りに実験を実施していきたいと考えている。

Causes of Carryover

研究は計画通りに順調に進捗し、必要最小限の支出で予定していた実験を完遂することができたが、標的スクリーニングの結果として得られた成果に基づいて購入を予定した抗体などの複数の製品の購入が一部製造停止になっていて入手ができず、類似の別製品を海外から取り寄せるために時間を要し、翌年度で購入することとなったため、次年度に使用額が生じることとなった。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Harvard University/Chicago University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Harvard University/Chicago University
• [Journal Article] YAP-dependent necrosis occurs in early stages of Alzheimer's disease and regulates mouse model pathology. (2020)
  • Author(s): Tanaka H, Homma H, Fujita K, Kondo K, Yamada S, Jin X, Waragai M, Ohtomo G, Iwata A, Tagawa K, Atsuta N, Katsuno M, Tomita N, Furukawa K, Saito Y, Saito T, Ichise A, Shibata S, Arai H, Saido T, Sudol M, Muramatsu SI, Okano H, Mufson EJ, Sobue G, Murayama S, Okazawa H.
  • Journal Title: Nat Commun Volume: 11(1) Pages: 1-22
  • DOI: 10.1038/s41467-020-14353-6.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] GDNF rescues the fate of neural progenitor grafts by attenuating Notch signals in the injured spinal cord in rodents. (2020)
  • Author(s): Khazaei M, Ahuja CS, Nakashima H, Nagoshi N, Li L, Wang J, Chio J, Badner A, Seligman D, Ichise A, Shibata S, Fehlings MG
  • Journal Title: Sci Transl Med Volume: 12(525) Pages: 1-14
  • DOI: 10.1126/scitranslmed.aau3538.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Developmental analyses of mouse embryos and adults using a non-overlapping tracing system for all three germ layers. (2019)
  • Author(s): Serizawa T, Isotani A, Matsumura T, Nakanishi K, Nonaka S, Shibata S, Ikawa M, Okano H.
  • Journal Title: Development Volume: 146(21) Pages: 1-11
  • DOI: 10.1242/dev.174938.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Decreased Activity of the Ghrhr and Gh Promoters Causes Dominantly Inherited GH Deficiency in Humanized GH1 Mouse Models. (2019)
  • Author(s): Ariyasu D, Kubo E, Higa D, Shibata S, Takaoka Y, Sugimoto M, Imaizumi K, Hasegawa T, Araki K.
  • Journal Title: Endocrinology Volume: 160(11) Pages: 2673-2691
  • DOI: 10.1210/en.2019-00306.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The adeno-associated virus rh10 vector is an effective gene transfer system for chronic spinal cord injury. (2019)
  • Author(s): Hoshino Y, Nishide K, Nagoshi N, Shibata S, Moritoki N, Kojima K, Tsuji O, Matsumoto M, Kohyama J, Nakamura M, Okano H.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9(1) Pages: 1-12
  • DOI: 10.1038/s41598-019-46069-z.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Large-area fluorescence and electron microscopic correlative imaging with multibeam scanning electron microscopy (2019)
  • Author(s): Shibata S, Iseda T, Mitsuhashi T, Oka A, Shindo T, Moritoki N, Nagai T, Otsubo S, Inoue T, Sasaki E, Akazawa C, Takahashi T, Schalek R, Lichtman JW, Okano H
  • Journal Title: Front Neural Circuits Volume: 13:29 Pages: 1-18
  • DOI: 10.3389/fncir.2019.00029.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A human induced pluripotent stem cell-derived tissue model of a white matter tract connecting two cerebral regions (2019)
  • Author(s): Kirihara T, Luo Z, Chow SY, Misawa R, Kawada J, Shibata S, Khoyratee F, Vollette CA, Levi T, Fujii T, Ikeuchi Y
  • Journal Title: iScience Volume: 14 Pages: 301-311
  • DOI: 10.1016/j.isci.2019.03.012.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Large area serial section 3D electron microscope imaging with multi-beam scanning electron microscopy for visualizing neural circuit (2020)
  • Author(s): 芝田 晋介, 信藤 知子, 井原 諒, 伊勢田 太郎, 盛一 伸子, 永井 俊弘, 岡野 栄之
  • Organizer: 第125回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Invited
• [Presentation] Large area correlative light and electron microscopy imaging with multi-beam scanning electron microscopy for visualizing specific neural circuit (2019)
  • Author(s): 芝田 晋介, 信藤 知子, 井原 諒, 伊勢田 太郎, 盛一 伸子, 永井 俊弘, 岡野 栄之
  • Organizer: NEURO2019第42回日本神経科学大会・第62回日本神経化学会大会