2021 Fiscal Year Annual Research Report
Synapse nano-analysis for understanding of neural circuit formation
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20H00481
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
岡部 繁男 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (60204012)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ◎シナプス / 神経回路 / 細胞骨格 / 超解像顕微鏡 / インビボイメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では三つの研究項目（A. B. C）を最終的に統合することによって「スパインのナノスケールでの構造・分子動態・機能の関連性のモデル化」を目指している。
（A）スパイン構造が分子動態・機能に与える影響：前年度にはシナプス前部構造との関係、スパイン頭部の形態、スパインネックの三つに分割した定量を実施し、今年度は全自動でのスパインシナプスの同定、セグメンテーション、定量を実現する方法論の実現を目的として実験を行った。画像の自動解析プログラムをブロック毎に設計し、シナプス同定の精度を向上させた。樹状突起の画像生データを入力すると、スパインの切り出しとその形態パラメーターの抽出までの全解析過程を自動で行うプログラムの開発が終了した。
（B）シナプスの構造・分子動態・機能の関係性を説明するモデル：項目Aにより、シナプス接着面、スパイン頭部、スパインネックについての構造機能相関データが得られる。特にシナプス接着面の曲率と分子動態について、本年度は物理シミュレーションを活用した定量化を実施し、両者の密接な関係を示した。更にAで得た多量のデータを用いて、分子拡散に影響を与える形状を持つスパインを抽出し、その形状が特定の疾患モデルマウスのスパインシナプスと関連している可能性について検討した。
（C）シナプスの構造パラメーターのin vivoへの拡張：AとBの実験により、スパイン安定化に寄与するパラメーターの候補を抽出し組織レベルでのシナプス構造解析を実施する。本年度は組織拡大技術によるシナプス微細構造の定量化技術を、実際のモデルマウスの解析に適用し、数千個のスパインシナプスのデータ取得を完了した。培養神経細胞だけでなく、疾患モデルマウスの脳組織内のスパインシナプスの形態についても、数千個レベルでの形態データを効率良く取得する解析パイプラインが稼働するようになった。
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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
三つの研究項目の中で、項目（A）についてはスパインの構造を３つの要素に分割して解析する方法論が完成し、培養細胞におけるスパインシナプス定量の全自動化を完成した。項目（B）についてはスパイン頭部のシナプス前部との接着面の曲率の増大がシナプス膜分子、PSD分子の集積を誘導する、というモデルの検証を目的としており、これまでに基礎となる膜表面の曲率計算の方法、それを用いた物理シミュレーションによって膜蛋白質の拡散が膜形状によりどのような影響を受けるのか、という問題についての定量的な解析が終了している。項目（C）については海馬の回路構築をモデル系として利用して、学習関連神経回路におけるスパイン頭部の形態変化を抽出することが最終目標であり、そのために大きな課題となっていた、組織拡大手法を用いたスパイン微細構造の検出技術について、今年度で方法論が確立された。また確立した方法論を活用して疾患モデルマウスのスパインシナプスの特徴を解析する実験も順調に進んだ。
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| Strategy for Future Research Activity |
項目（A）と項目（B）については従来の培養神経細胞における超解像顕微鏡手法を適用することで実験データの取得と数理科学的な解析が可能であり、引き続きデータの取得とその解析手法の高度化を進めていく。項目（Ｃ）については組織レベルで学習後に活性化されたシナプス結合を同定する技術の確立が最終的な目標となる。組織拡大手法を用いて組織レベルでスパイン微細形態を正確に測定する技術はこれまでに確立しており、学習によって活性化する神経回路の同定方法も検討が終了している。次年度にはこれらの方法論を組み合わせて最終的な実験系を完成させる。
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[Journal Article] Canonical versus non-canonical transsynaptic signaling of neuroligin 3 tunes development of sociality in mice2021
Author(s)
Yoshida T, Yamagata A, Imai A, Kim J, Izumi H, Nakashima S, Shiroshima T, Maeda A, Iwasawa-Okamoto S, Azechi K, Osaka F, Saitoh T , Maenaka K, Shimada T, Fukata Y, Fukata M, Matsumoto J, Nishijo H, Takao K, Tanaka S, Okabe S, Tabuchi K, Uemura T, Mishina M, Mori H, Fukai S.
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 12
Pages: 1848
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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