大脳棘シナプスと開口放出の2光子顕微鏡による研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21000009
• Principal Investigator: 河西 春郎 東京大学, 大学院医学系研究科, 教授 (60224375)
• Keywords: 樹状突起スパイン / シナプス / ドーパミン / 強化学習 / ヘブ学習

Outline of Annual Research Achievements

新たに使用可能となったGaAs光電子倍増管を使って、側坐核MSN神経細胞の樹状突起スパインに対するSTDP刺激とドーパミン刺激による細胞内Ca2+, CaMKII及びPKA活性を蛍光比によるFRET測定を行った結果、遠位樹状突起ではドーパミンだけではPKA活性はあがらず、STDP刺激による細胞内カルシウム濃度が1秒程先行した場合のみドーパミンで十分なcAMPの産生が起き、これによりPKAの活性が上がり、CaMKIIのPP1による抑制がDRAPP32のリン酸化により脱抑制され、CaMKIIの活性化が強まり、スパインシナプスの増強を起こすことがわかった。ドーパミンがSTDPに先行したり、STDPからの遅延が長い場合には増強は起きない。これは、細い樹状突起ではcAMPを分解するPDEの活性が高く、cAMP濃度が低く保たれていることによると考えられた。
この様に、高感度のGaAsP検出器を用いることにより、ThorndykeやPavlovによって100年前から見つかっていた行動から報酬への時間枠はスパインの運動性により説明されつ可能性が高いことがわかった。この時間枠をドーパミンが利用することにより、脳内報酬信号として機能する。
これらの結果をScience誌に報告した。

Research Products

• [Journal Article] PAKs inhibitors ameliorate schizophrenia-associated dendritic spine deterioration in vitro and in vivo during late adolescence (2014)
  • Author(s): Hayashi-Takagi, A., Araki, Y., Nakamura, M., Vollrath, B., Duron, S.G., Yan, Z., Kasai, H., Huganir, R.L., Campbell, D.A. & Sawa, A.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. Volume: 111 Pages: 6461-6
  • DOI: 10.1073/pnas.1321109111
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sub-diffraction resolution pump-probe microscopy with shot-noise limited sensitivity using laser diodes (2014)
  • Author(s): Miyazaki, J., Tsurui, H., Hayashi-Takagi, A., Kasai, H. & Kobayashi, T.
  • Journal Title: Opt Express Volume: 22 Pages: 9024-32
  • DOI: 10.1364/OE.22.009024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Caged Glutamates with π-Extended 1, 2-Dihydronaphthalene Chromophore : Design, Synthesis, Two-Photon Absorption Property, and Photochemical Reactivity (2014)
  • Author(s): Boinapally, S., Huang, B., Abe, M., Katan, C., Noguchi, J., Watanabe, S., Kasai, H., Xue, B. & Kobayashi, T.
  • Journal Title: Opt Express Volume: 22 Pages: 7822-30
  • DOI: 10.1021/jo501425p
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lab-on-a-brain : Implantable micro-optical fluidic devices for neural cell analysis in vivo (2014)
  • Author(s): Takehara, H.*, Nagaoka, A.*, Noguchi, J., Akagi, T., Kasai, H. & Ichiki, T.
  • Journal Title: Scientific Report Volume: 4 Pages: 6721
  • DOI: 10.1038/srep06721
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A critical time window for dopamine action on the structural plasticity of dendritic spines (2014)
  • Author(s): Yagishita, S., Hayashi-Takagi, A., Ellis-Davies, G.C.R., Urakubo, H., Ishii, S. & Kasai, H.
  • Journal Title: Science Volume: 345 Pages: 1616-20
  • DOI: 10.1364/OE.22.009024
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Imaging and optogenetics of dendritic spines (2015)
  • Author(s): H. Kasai
  • Organizer: BSI seminar series
  • Place of Presentation: 理化学研究所(埼玉県和光市)
  • Year and Date: 2015-02-12
  • Invited
• [Presentation] The critical time window for dopamine actions on the structural plasticity of dendritic spines in the nucleus of accumbens (2014)
  • Author(s): H. Kasai & S. Yagishita
  • Organizer: Symposium on“Emotional mechanisms”
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
  • Year and Date: 2014-09-11
  • Invited
• [Presentation] Labeling and erasure of dendritic spines and motor learning with novel synaptic optogenetic probes in vivo (2014)
  • Author(s): H. Kasai & A. Hayashi
  • Organizer: Janelia Conference for“Structure and function of synapses”
  • Place of Presentation: Janelia Farm Research Campus(Ashburn, VA., USA)
  • Year and Date: 2014-04-02
  • Invited
• [Remarks]
  • URL: http://www.bm2.m.u-tokyo.ac.jp