2019 Fiscal Year Annual Research Report
Correlated LM and EM analysis of cortical microcircuit remodeling during learning
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19H03336
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| Research Institution | National Institute for Physiological Sciences |
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Principal Investigator |
窪田 芳之 生理学研究所, 基盤神経科学研究領域, 准教授 (90192567)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 大脳皮質 / 運動学習 / 神経回路 / リモデリング / CLEM |
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| Outline of Annual Research Achievements |
脳が多様な機能を実現するには、その構造基盤としての“標準回路”のみならず、様々な学習によって可塑的に変化する“動的回路”が重要である。本研究では、電子顕微鏡による大規模電顕画像３次元再構築処理法と光学顕微鏡観察法を相関させ、マウスの運動学習に伴う大脳皮質第一次運動野の神経回路のダイナミックな変化を解析する。運動学習に伴い形成される新規のシナプス入力の由来が大脳皮質錐体細胞であるか視床の神経細胞であるかを明らかにし、それぞれが運動学習時にもたらす機能を推論する。
大脳皮質錐体路細胞にGFPが発現する遺伝子改変マウス（Thy1-M系統）を用いて、狭いスリット穴越しに小さい餌（粟）を前肢でつかみ取る課題を、毎日20分間10日間にわたり学習させた。M1の前肢領上に頭蓋窓を作製し、トレーニング期間中、毎日、同一のPT細胞樹状突起セグメント（10-20箇所）を２光子励起顕微鏡下で生体観察し、棘突起の新生と消失を観察した。種掴み成功率からマウス個体ごとの学習期を割り出し、学習前、習得期（4日目程度）、完成期（10日目以降）の動物を灌流固定し、M1前肢領域の脳切片を作成する。VGluT1（vesicular glutamate transporter type 1; 錐体細胞の神経終末マーカー）、VGluT2（視床-皮質神経終末マーカー）、Homer（興奮性シナプス後膜マーカー）、GFP（錐体路細胞蛍光マーカー）に対する蛍光４重染色を行い、共焦点レーザー顕微鏡で観察した。生体観察した棘突起上で、Homerに接触するシナプス前終末マーカーを同定した結果、習得期には、新生棘突起にシナプスを形成する神経終末の多くが、大脳皮質二次運動野由来であること、完成期にはそれが消失するが、視床由来の神経終末の入力を受けている棘突起は残存し、大きくなっていることを見出した。
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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
本研究の当初の目的である、運動学習の各段階において大脳皮質一次運動野の錐体路細胞が受けるシナプス入力の変化を観察し、その由来が変化することを見いだすことができた。運動学習成立の機序を明らかにしたことから、当初の目的は達成したと考えている。今後はその詳細な成立過程の検討に進む。
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| Strategy for Future Research Activity |
PT細胞にGFPが発現する遺伝子改変マウス（Thy1-M系統）を用いて、狭いスリット穴越しに小さい餌（粟）を前肢でつかみ取る課題を、毎日30分間10日間にわたり学習させる。３&-６日程度のトレーニングで前肢を使ったタネ掴み運動は、多くのマウスで上達する。M1の前肢領上に頭蓋窓を作製し、トレーニング期間中、毎日、同一のPT細胞樹状突起セグメント（10-20箇所）を２光子励起顕微鏡下で生体観察し、棘突起の新生と消失を観察する。学習前（0日目）、学習初期（４日目）、学習後期（８日目）の動物を灌流固定し、M1前肢領域の脳切片を作成する。ATUM-SEM解析方法を使った大規模光電子相関解析法により、新生棘突起をとりまく神経回路ネットワーク構造を解析する。すなわち、新生棘突起は、興奮性シナプスと抑制性シナプスに二重神経支配（dually innervated spine）をうけているか、新生棘突起のシナプス前神経線維は、同一の樹状突起の近傍の棘突起を神経支配しているかなどを連続電子顕微鏡画像からの３次元再構築解析により実施する。まず、学習後期での神経回路構築の実態から解析を進めたい。
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