Development of a method for inducing a hibernation-like state (QIH) using weak light and understanding of the mechanisms of blood pressure and heart rate regulation in QIH

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K15219
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 46030:Function of nervous system-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: Takahashi Tohru 筑波大学, 医学医療系, 研究員 (10919137)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: メラノプシン OPN4 / QIH 冬眠様状態 / Qニューロン / 光遺伝学 オプトジェネティクス / 体温 / 血圧 / 心拍数 / 心血管系調節

Outline of Final Research Achievements

Until now, no method had been established that could sustain neuronal excitation for a long period of time (e.g., 24 hours) and switch it ON-OFF with high time resolution. In this study, therefore, our primary goal was to apply light manipulation to the long-term phenotype of hibernation, i.e., to create a method for inducing a hibernation-like hypometabolic state QIH (OPN4-QIH) by light stimulation, and we achieved this. Specifically, we modified the photoreceptor opsin OPN4 (opsin 4, melanopsin) to create a modified opsin OPN4dC that can withstand long-term stimulation and optimized it for 24-hour QIH induction. In addition, to understand the similarities between natural hibernation and QIH, we analyzed the multiple dynamics of blood pressure, heart rate, and body temperature in this OPN4-QIH and clarified the cardiovascular regulatory function of Q neurons.

Free Research Field

神経行動生理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

近年われわれは、哺乳類を冬眠様状態誘導QIHに誘う神経細胞群Qニューロンの同定に成功した。近い将来、このQニューロンを制御・操作して人工冬眠を実現するためには、この細胞群を適切に操作し、その活動パターンを正確に理解する必要がある。
そこで本研究では、より自由に誘導・操作できるQIHを実現するために、長時間刺激が可能な微弱光でQIHを誘導する方法を開発した。また、自然の冬眠の特徴の1つである「体温変化に依存しない心血管系の制御」に着目し、この光制御されたQIHにおいて血圧、心拍数、体温を同時に計測・評価した。その結果、QIHは心血管系調節の観点からも、自然の冬眠に近い状態であると証明された。