睡眠中のシナプス可塑性が記憶固定化に果たす役割の解明

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21J11746
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 小柳 伊代 筑波大学, 人間総合科学学術院, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2023-03-31
• Keywords: レム睡眠 / 記憶固定化 / ニューロン新生 / シナプス可塑性

Outline of Annual Research Achievements

哺乳類の成体脳では、限られた部位でのみ、生涯に渡りニューロンが産生される。記憶学習の中枢である海馬の歯状回で産生される新生ニューロンは、既存の神経回路に組み込まれ、記憶学習に寄与することが知られている。一方で、記憶は睡眠中に定着すると考えられているが、そのメカニズムについてはほとんど明らかになっていない。記憶固定化には、神経細胞同士が連絡を取り合うシナプスの可塑性が特に重要であると考えられている。本研究では、成体脳の中でも特に高いシナプス可塑性を有する幼若期の新生ニューロンにおける、睡眠中のシナプス可塑性とその学習への機能に着目した。
我々は、トランスジェニックマウスを用いた光遺伝学法、動物行動実験学法、マウスの脳波および局所電位測定、睡眠解析を用いて、睡眠中のマウスの新生ニューロンの神経活動操作およびシナプス可塑性操作を行い、その機能を恐怖条件付け学習課題を用いて評価した。これらの実験から得られた結果によって、睡眠中の脳の同期活動の記憶固定化への役割と睡眠中のシナプス可塑性の意義が示唆された。また、成体脳スライスから新生ニューロンの活動を記録するパッチクランプ法を所属研究室で立ち上げ、前述の実験結果と新生ニューロンのシナプス可塑性の関係性を詳細に解析している途中である。
これまでの研究成果は国際学会を含む２つの学会で口頭発表とポスター発表を行い、国内外の研究者からフィードバックを得た。

Current Status of Research Progress

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

Reason

レム睡眠中の活動が記憶固定化に必要である海馬歯状回の新生ニューロンに着目し、睡眠中の記憶固定化におけるシナプス可塑性について検討している。睡眠自動判定と閉回路フィードバックシステムを用いて、マウスの特定の睡眠段階および局所電位の位相特異的なタイミングでの、光遺伝学による標的睡眠活動操作を可能にした。海馬で見られるシータ波位相特異的な神経活動はシナプス可塑性に重要であるが、このようなスパイクタイミング依存的シナプス可塑性（STDP）は新生ニューロンにおいても重要であることが、本研究計画に含まれる光遺伝学・行動学実験から示唆された。また、新生ニューロンのシナプス長期抑圧(long-term depression, LTD)の記憶固定化における機能を解析したところ、睡眠中のシナプス可塑性の役割を示唆する結果が得られた。

Strategy for Future Research Activity

現在、スライスパッチクランプ法を用いた電気生理学実験により、新生ニューロンにおける長期抑圧及びSTDPの条件・機序を詳細に検証している。また、小型顕微鏡を用いたカルシウムイメージングを用いて、新生ニューロンの睡眠中の神経活動とシナプス可塑性の関係性を明らかにする。生体内におけるより高い時間解像度でのシナプス可塑性を解明することで、睡眠中の記憶固定化メカニズムについて重要な知見が得られるものと期待される。

Research Products

• [Presentation] Mechanisms of adult-born neurons for memory consolidation during sleep (2022)
  • Author(s): Koyanag I, Wang YT, Srinivasan S, Yu J, Naoi T, Ohba O, Kumar D, Wu P, Vogt K, Matsuda S, Cherasse Y, Sakurai T, Yanagisawa M, Yuzaki M, Sakaguchi S
  • Organizer: JST-CREST “Opt Bio” / WPI-IIIS Joint Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mechanisms of adult-born neurons for memory consolidation during sleep (2021)
  • Author(s): Koyanagi I, Wang Y, Srinivasan S, Yu J, Naoi T, Ohba A, Kumar D, Wu P, Vogt K, Matsuda S, Cherasse Y, Sakurai T, Yanagisawa M, Yuzaki M, Sakaguchi M
  • Organizer: 第44回 日本神経科学学会
  • Int'l Joint Research / Invited