線条体ネットワークの状態遷移に対する自発カルシウムリズムの寄与

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23590255
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 小山内 実 東北大学, 医学(系)研究科(研究院), 准教授 (90286419)
• Keywords: カルシウム振動 / 大脳基底核 / カルシウムイメージング / 代謝型グルタミン酸受容体 / IP3 受容体 / パーキンソン病 / ニューロン・グリア相互作用 / 細胞間相関

Research Abstract

大脳基底核線条体において、脳の内部状態を規定しているであろう“遅い”カルシウム濃度変化 (カルシウム振動) の特徴を明らかにし、発生機構およびその機能を解明するために、イメージング実験、シミュレーション実験を行い、以下の成果を得た。
i) 自発カルシウム振動発生細胞種の同定、および発生メカニズムの同定：アストロサイトに蛍光タンパク質 GFP を発現する遺伝子組換えマウス (GFAP-GFP マウス) の線条体スライス標本を用いて、細胞種を同定した上でカルシウムイメージング実験を行ったところ、ニューロン・アストロサイトの双方でカルシウム振動が発生していることが明らかとなった。このカルシウム振動は、IP3 受容体の阻害、代謝型グルタミン酸受容体 5 型 (mGluR5) の阻害により抑制されたことから、mGluR5 - IP3 受容体のシグナル伝達経路が自発カルシウムリズムの発生に関与していることが明らかとなった。
ii)自発カルシウム振動の同期性：モンテカルロ法による多細胞間の相関解析により、このカルシウム振動は多細胞間で同期していることを見出した。また、この同期回数は活動電位の阻害により減少した。このことは、本研究で対象としている遅いカルシウム濃度変化でも細胞間で同期していることを示しただけでなく、活動電位依存性のプロセスが、自発カルシウム振動を調節していることを示唆している。
iii) 自発カルシウム振動の生理的意義：mGluR5がパーキンソン病の症状に関与していることが報告されている。本研究の対象になっている遅いカルシウム振動は mGluR5 を阻害することにより消失することから、線条体における遅いカルシウム振動がパーキンソン病に関与している可能性が考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Both Neurons and Astrocytes Exhibited Tetrodotoxin-Resistant Metabotropic Glutamate Receptor-Dependent Spontaneous Slow Ca2+ Oscillations in Striatum (2014)
  • Author(s): Tamura A, Yamada N, Yaguchi Y, Machida Y, Mori I, Osanai M
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 9 Pages: e85351
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0085351
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 活動電位非依存的な線条体自発カルシウムリズムの多細胞間同期現象 (2013)
  • Author(s): 田村 篤史, 山田 尚宏, 矢口 雄一, 小山内 実
  • Journal Title: 電気学会 電子・情報・システム部門大会講演論文集 Volume: 平成 25 年 Pages: 61-65
• [Journal Article] 非侵襲 in vivo 脳活動計測のための AIME-MRI 法の検討 (2013)
  • Author(s): 菊田 里美, 太田 拓人, 柳川 右千夫, 小山内 実
  • Journal Title: 電気学会 電子・情報・システム部門大会講演論文集 Volume: 平成 25 年 Pages: 106-109
• [Journal Article] 死後経過時間による脳CT画像の変化 (2013)
  • Author(s): 臼井 章仁, 細貝 良行, 川住 祐介, 中島 彩, 安孫子 絹太, 小堺 雅貴, 齋藤 春夫, 舟山 眞人, 小山内 実
  • Journal Title: 電気学会 電子・情報・システム部門大会講演論文集 Volume: 平成 25 年 Pages: 134-137
• [Journal Article] 徐波振動発生メカニズム推定のための大脳皮質錐体細胞のモデル化 (2013)
  • Author(s): 成田 慎弥, 小島 晴樹, 虫明 元, 小山内 実
  • Journal Title: 電気学会 電子・情報・システム部門大会講演論文集 Volume: 平成 25 年 Pages: 1801-1802
• [Journal Article] Development of the micro-imaging probe for functional deep brain imaging (2013)
  • Author(s): Osanai M, Suzuki T, Tamura A, Yonemura T, Mori I, Yanagawa Y, Yawo H, Mushiake H
  • Journal Title: Proceedings of Life Engineering Symposium 2013 Volume: 2013 Pages: 501-504
• [Journal Article] Markerless Lung Tumor Motion Tracking by Dynamic Decomposition of X-Ray Image Intensity (2013)
  • Author(s): Homma N, Takai Y, Endo H, Ichiji K, Narita Y, Zhang X, Sakai M, Osanai M, Abe M, Sugita N, Yoshizawa M
  • Journal Title: Journal of Medical Engineering Volume: 2013 Pages: 340821
  • DOI: 10.1155/2013/340821
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Activation-induced manganese-enhanced MRI can evaluate the pathological state of the parkinsonism (2014)
  • Author(s): Kikuta S, Nakamura Y, Yamamura Y, Yanagawa Y, Homma N, Kasahara J, Osanai M
  • Organizer: 9th FENS Forum of Neuroscience
  • Place of Presentation: Milan, Italy
  • Year and Date: 20140705-20140709
• [Presentation] Tetrodotoxin-resistant metabotropic glutamate receptor-dependent spontaneous slow calcium oscillations in striatal neurons and astrocyte. (2014)
  • Author(s): Tamura A, Yamada N, Yaguchi Y, Homma N, Osanai M
  • Organizer: 9th FENS Forum of Neuroscience
  • Place of Presentation: Milan, Italy
  • Year and Date: 20140705-20140709
• [Presentation] Metabotropic glutamate receptor-dependent slow Ca2+ oscillations in striatal neurons and astrocytes (2014)
  • Author(s): Tamura A, Yamada N, Yaguchi Y, Osanai M
  • Organizer: 第91回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 鹿児島
  • Year and Date: 20140316-20140318
• [Presentation] Measurement the history of the neural activity with AIME-MRI (2014)
  • Author(s): Kikuta S, Yanagawa Y, Homma N, Osanai M
  • Organizer: 第91回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 鹿児島
  • Year and Date: 20140316-20140318
• [Presentation] Modeling of the neocortical layer 5 pyramidal cell to predict the mechanisms of the slow oscillation (2014)
  • Author(s): Narita S, Kojima H, Mushiake H, Homma N, Osanai M
  • Organizer: 第91回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 鹿児島
  • Year and Date: 20140316-20140318
• [Presentation] Visualization of the history of the brain activity usingmanganese-enhanced MRI (2014)
  • Author(s): Kikuta S, Nakamura Y, Yamamura Y, Yanagawa Y, Homma N, Kasahara J, Osanai M
  • Organizer: The 1st Conference on Biomedical Imaging
  • Place of Presentation: 吹田
  • Year and Date: 20140315-20140315
• [Presentation] Visualization of the brain state using calcium imaging useful for the drug screening (2014)
  • Author(s): Osanai M
  • Organizer: 6th International Conference on Drug Discovery and Therapy
  • Place of Presentation: Dubai, UAE
  • Year and Date: 20140210-12
• [Presentation] 線条体のニューロンとアストロサイトではmGluR5 依存的・活動電位非依存的な長時間持続自発Ca2+ 振動が発生する (2013)
  • Author(s): 田村 篤史, 山田 尚宏, 矢口 雄一, 小山内 実
  • Organizer: 第 45 回東北生理談話会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 20131005-20131005
• [Presentation] MRIを用いた神経活動履歴計測 (2013)
  • Author(s): 菊田 里美, 中村 幸代, 山村 行生, 柳川 右千夫, 本間 経康, 笠原 二郎, 小山内 実
  • Organizer: 第 45 回東北生理談話会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 20131005-20131005
• [Presentation] 徐波振動発生メカニズム推定のための大脳皮質錐体細胞のモデル化 (2013)
  • Author(s): 成田 慎弥, 小島 晴樹, 虫明 元, 小山内 実
  • Organizer: 第 45 回東北生理談話会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 20131005-20131005
• [Presentation] Development of the micro-imaging probe for functional deep brain imaging (2013)
  • Author(s): Osanai M, Suzuki T, Tamura A, Yonemura T, Mori I, Yanagawa Y, Yawo H, Mushiake H
  • Organizer: 計測自動制御学会 ライフエンジニアリング部門シンポジウム 2013
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 20130912-20130914
  • Invited
• [Presentation] 活動電位非依存的な線条体自発カルシウムリズムの多細胞間同期現象 (2013)
  • Author(s): 田村 篤史, 山田 尚宏, 矢口 雄一, 小山内 実
  • Organizer: 平成 25 年電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 北見
  • Year and Date: 20130904-20130906
• [Presentation] 非侵襲 in vivo 脳活動計測のための AIME-MRI 法の検討 (2013)
  • Author(s): 菊田 里美, 太田 拓人, 柳川 右千夫, 小山内 実
  • Organizer: 平成 25 年電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 北見
  • Year and Date: 20130904-20130906
• [Presentation] 徐波振動発生メカニズム推定のための大脳皮質錐体細胞のモデル化 (2013)
  • Author(s): 成田 慎弥, 小島 晴樹, 虫明 元, 小山内 実
  • Organizer: 平成 25 年電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 北見
  • Year and Date: 20130904-20130906
• [Presentation] 死後経過時間による脳CT画像の変化 (2013)
  • Author(s): 臼井 章仁, 細貝 良行, 川住 祐介, 中島 彩, 安孫子 絹太, 小堺 雅貴, 齋藤 春夫, 舟山 眞人, 小山内 実
  • Organizer: 平成 25 年電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 北見
  • Year and Date: 20130904-20130906
• [Presentation] 線条体で発生する活動電位非依存的な遅いカルシウム振動は多細胞間で同期する (2013)
  • Author(s): 田村 篤史, 山田 尚宏, 矢口 雄一, 小山内 実
  • Organizer: 包括型脳科学研究推進支援ネットワーク夏のワークショップ
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 20130829-20130901
• [Presentation] 大脳基底核線条体におけるストア作動性カルシウム流入 (2013)
  • Author(s): 菊田 里美, 柳川 右千夫, 本間 経康, 小山内 実
  • Organizer: 包括型脳科学研究推進支援ネットワーク夏のワークショップ
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 20130829-20130901
• [Presentation] Cortical activity regulates the tetrodotoxin-resistent slow Ca2+ oscillation in the striatum (2013)
  • Author(s): Osanai M, Tamura A, Yamada N, Yaguchi Y, Oboshi F
  • Organizer: The sixth International Neural Microcircuit Conference "Functional Mechanism of Cortical Microcircuit"
  • Place of Presentation: 岡崎
  • Year and Date: 20130624-20130626
• [Presentation] Involvement of the store operated calcium entry in the long-lasting spontaneous calcium transient in the striatal GABAergic neuron (2013)
  • Author(s): Kikuta S, Yanagawa Y, Osanai M
  • Organizer: The sixth International Neural Microcircuit Conference "Functional Mechanism of Cortical Microcircuit"
  • Place of Presentation: 岡崎
  • Year and Date: 20130624-20130626
• [Presentation] Development of a microimaging probe system for functional brain imaging (2013)
  • Author(s): Osanai M, Suzuki T, Tamura A, Yonemura T, Mori I, Yanagawa Y, Yawo H, Mushiake H
  • Organizer: Neuro2013
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20130620-20130623
• [Presentation] The functional neuronal connections of the striatal GABAergic neurons were revealed by the multicellular fast calcium imaging (2013)
  • Author(s): Kikuchi K, Tamura A, Mori I, Yawo H, Yanagawa Y, Osanai M
  • Organizer: Neuro2013
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20130620-20130623
• [Presentation] Involvement of the store operated calcium channels in the long-lasting spontaneous calcium transients in the striatal GABAergic neuron (2013)
  • Author(s): Kikuta S, Yanagawa Y, Mori I, Osanai M
  • Organizer: Neuro2013
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20130620-20130623
• [Presentation] Multicellular synchrony of the mGluR5-PLC-IP3 pathway dependent spontaneous Ca2+ rhythms in the striatum (2013)
  • Author(s): Tamura A, Yamada N, Yaguchi Y, Machida Y, Mori I, Osanai M
  • Organizer: Neuro2013
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20130620-20130623
• [Presentation] Tetrodotoxin-resistant metabotropic glutamate receptor-dependent long-lasting Ca2+ rhythms in both neurons and astrocytes in striatum (2013)
  • Author(s): Tamura A, Yamada N, Yaguchi Y, Machida Y, Mori I, Osanai M
  • Organizer: NIH Tohoku University JSPS Symposium
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 20130509-20130511
• [Remarks] 研究室 web ページ
  • URL: http://www.rii.med.tohoku.ac.jp.index_osanai.html
• [Remarks] 東北大学プレスリリース
  • URL: http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2014/01/press20140108-02.html
• [Remarks] 研究成果の紹介 (マイナビニュース)
  • URL: http://news.mynavi.jp/news/2014/01/17/509/