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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Developement of detection and analysis of brain circuit E/I imbalance induced by chemical exposure using membrane potential imaging

Research Project

Project/Area Number 21H03606
Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionTokushima Bunri University

Principal Investigator

冨永 貴志  徳島文理大学, 神経科学研究所, 教授 (20344046)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 高島 一郎  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 上級主任研究員 (90357351)
梶原 利一  明治大学, 理工学部, 専任准教授 (60356772)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Keywords膜電位感受性色素 / 遅発神経毒性 / E/Iバランス / ビスフェノールA / 海馬 / 過興奮 / 前帯状皮質
Outline of Annual Research Achievements

環境中の化学物質による遅発性の脳機能障害の早期の網羅的検出方法の確立を目標としている。 検出法として膜電位イメージング法を用い、神経回路の興奮(E)・抑制(I)への過剰な傾き(E/I 不均衡, E/I imbalance)を定量する手法を確立しようとしている。試験化学物質としてビスフェノール A(BPA)、 BPA 代替化合物、BPA 関連化合物を用いた。この研究はほぼ終了し、投稿準備中である。
この研究を進めている間に問題となったのが、海馬回路の主要な3シナプスをイメージングする際に、刺激電極を移動し、さらには視野を調整して計測するために時間がかかることであった。現在、2台の全く同様に組み立てたイメージングリグを並列して動かすことで1匹のマウスから得られるデータを増やしているが、得られるデータに限りがあった。これを解決するために、光学系を微調整しマウス海馬の全体がちょうど1視野に収まる様に改造するとともに、マイクロマニピュレーターを増設し、さらには刺激回路をマイクロマニピュレーターで切り替えられる装置を作成した。これらのことにより、ほぼ、全自動で1スライスからのデータを取得することができる様になり、実験の精度が格段に上がった。これらのデータは他の病態モデルマウス(脳梗塞モデル)や老齢マウスへの適用で期待通りの効果を上げている。これらのマウスでも、本研究で中心的な課題としている過剰興奮が病態の中心的な役割を果たしていることを明らかにしつつある。BPA類の影響に関しては、現在、胎生期から離乳までの発生発達期の投与の遅発影響を定量しようとしている。
原著論文は6件で、内1件はバルプロ酸暴露動物の検証、2件は毒性分野の論文である。学会発表は16件で内2件は米国ウッズホール海洋生物研究所(MBL)で開催された光計測に関する比較的クローズドなシンポジウムでの発表である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

昨年度は新規感染症の影響もあり、英国の共同研究者との共同研究は期待したほど順調に進まなまかった。さらに、英国内での研究環境変化もあり、当初予定した訪問などを通した緊密な共同研究による遺伝子組み込み型電位インジケータ(GEVI)の導入が図れなかった。本年度は、米国で開催された膜電位イメージングの国際会議に招待され、この分野での多くの研究者と交流を図ることができた。ここでのやりとりなどをもとにGEVIに関しては別の戦略の方が良さそうであることがわかってきた。その他の部分に関しては概ね順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、この検査法を海馬だけなく他の脳領域に広げること、興奮・抑制バランスの破綻のメカニズムを調べるために興奮・抑制の同時イメージングを行うことを次の目標にしている。
他の脳領域として前頭野に着目しとくに前頭性のてんかんの焦点となる前帯状皮質を中心としたイメージングを行い機能マップを作りつつある。これをさらに広げていくための光学系の開発を行っており、今年度はこれに注力する。すでに多くの解析を終え投稿論文を作成している。
興奮・抑制の同時イメージングを行う上で技術的要件はまだ高いが、GEVIの発現とその最も容易な検証となるin vivo標本でのイメージング法の開発を進めている。
幼若動物、老年動物などの生理的変化に伴う回路応答について基礎的なデータを収集して毒性影響の評価に繋げられる様にする。

  • Research Products

    (23 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 2 results) Presentation (16 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Alternative strategy for driving voltage-oscillator in neocortex of rats2023

    • Author(s)
      Takako Fukuda,Takashi Tominaga,Yoko Tominaga,Hiroyuki Kanayama,Nobuo Kato,Hiroshi Yoshimura
    • Journal Title

      Neuroscience Research

      Volume: 191 Pages: 28-37

    • DOI

      10.1016/j.neures.2023.01.002

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of early-life tosufloxacin tosilate hydrate administration on growth rate, neurobehavior, and gut microbiota at adulthood in male mice2023

    • Author(s)
      Ayano Hasegawa,Takahiro Sasaki,Jahidul Islam,Takashi Tominaga,Tomonori Nochi,Kenshiro Hara,Kentaro Tanemura
    • Journal Title

      The Journal of Toxicological Sciences

      Volume: 48 Pages: 149-159

    • DOI

      10.2131/jts.48.149

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Exposure to bisphenol A or its phenolic analogs during early life induces different types of anxiety-like behaviors after maturity in male mice2023

    • Author(s)
      Takahiro Sasaki,Hirokatsu Saito,Yusuke Furukawa,Takashi Tominaga,Satoshi Kitajima,Jun Kanno,Kentaro Tanemura
    • Journal Title

      The Journal of Toxicological Sciences

      Volume: 48 Pages: 211-219

    • DOI

      10.2131/jts.48.211

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Stable wide-field voltage imaging for observing neuronal plasticity at the neuronal network level2023

    • Author(s)
      Takashi Tominaga,Riichi Kajiwara,Yoko Tominaga
    • Journal Title

      Biophysics and Physicobiology

      Volume: 20 Pages: e200015

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v20.0015

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Regulation Mechanism of Escape Response to Mechanical Stimulation in Paramecium2022

    • Author(s)
      Manabu Hori,Masaki Ishida,Takashi Tominaga
    • Journal Title

      Seibutsubutsuri

      Volume: 62 Pages: 114-115

    • DOI

      10.2142/biophys.62.114

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A CCR5 antagonist, maraviroc, alleviates neural circuit dysfunction and behavioral disorders induced by prenatal valproate exposure2022

    • Author(s)
      Yasuhiro Ishihara,Tatsuya Honda,Nami Ishihara,Kaede Namba,Makiko Taketoshi,Yoko Tominaga,Mayumi Tsuji,Christoph F. A. Vogel,Takeshi Yamazaki,Kouichi Itoh,Takashi Tominaga
    • Journal Title

      Journal of Neuroinflammation

      Volume: 19 Pages: 195

    • DOI

      10.1186/s12974-022-02559-y

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Heterogeneous ipsilateral cortical excitation spread and contralateral activation of the mouse prefrontal cortex imaged with voltage-sensitive dye.2022

    • Author(s)
      T. TOMINAGA, P. GUSAIN, M. TAKETOSHI, Y. TOMINAGA
    • Organizer
      Society for Neuroscience
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Behavioral disorders and expression changes of the tyrosine hydroxylase in Cuprizone-induced neuroinflammation mouse model with schizophrenia-like symptoms2022

    • Author(s)
      K. TSUKUDA, T. KUBOTA, A. CHIBA, T. TOMINAGA, Y. KISHIMOTO, K. NAKASHIMA
    • Organizer
      Society for Neuroscience
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Comprehensive in vitro analysis of the seizurogenic drugs using voltage-sensitive dye imaging (VSDI) in broad areas around the hippocampal system.2022

    • Author(s)
      Y. UTSUMI, M. TAKETOSHI, M. MIWA, Y. TOMINAGA, T. TOMINAGA
    • Organizer
      Society for Neuroscience
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 4.Voltage-sensitive dye imaging of brain slices: quantification of multiple samples and survey of single-time events.2022

    • Author(s)
      Takashi Tominaga
    • Organizer
      Merocyanine 540 and FlaSh Celebration
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] A fast intrinsic optical signal (FIOS) from an unstained hippocampal slice is a novel kind of postsynaptic optical signal: comparison with the voltage-sensitive dye signal.2022

    • Author(s)
      Tominaga, Y., Tominaga, T
    • Organizer
      Merocyanine 541 and FlaSh Celebration
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Analysis of neural activity propagation in the mouse prefrontal cortex using comprehensive quantitative optical recording: VSD study2022

    • Author(s)
      Takashi Tominaga, Pooja Gusain, Makiko Taketoshi, Yoko Tominaga
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] ゾウリムシの電位感受性Caチャネルのホジキンハクスレー型の解析2022

    • Author(s)
      冨永貴志、冨永洋子
    • Organizer
      日本動物学会
  • [Presentation] 電位感受性色素(VSD)イメージングによる海馬スライスへのビスフェノールA関連物質の急性適用の影響の検出2022

    • Author(s)
      冨永 洋子、竹歳 麻紀子、種村 健太郎、冨永 貴志
    • Organizer
      NEURO2022(第45回日本神経科学大会、第65回日本神経化学大会、第32回日本神経回路学会)
  • [Presentation] 海馬周辺領域における電圧感受性色素イメージング(VSDI)を用いたin vitro痙攣リスク評価法の開発2022

    • Author(s)
      内海 雄一1,2、竹歳 麻紀子2、三輪 倫子3、冨永 洋子2、冨永 貴志
    • Organizer
      NEURO2022(第45回日本神経科学大会、第65回日本神経化学大会、第33回日本神経回路学会)
  • [Presentation] バクロフェンはラット体性感覚野におけるカフェイン依存性神経オシレーションを弱化する2022

    • Author(s)
      金山 宏幸1,2、福田 嵩子1、冨永 貴志3、冨永 洋子3、加藤 伸郎4、吉村 弘
    • Organizer
      NEURO2022(第45回日本神経科学大会、第65回日本神経化学大会、第34回日本神経回路学会)
  • [Presentation] シナプス形成抑制因子MDGA1/2の欠失は対蹠的な興奮/抑制バランス偏移と行動異常を引き起こすが、成年期の薬剤投与により回復できる2022

    • Author(s)
      山本 融1、尾嶋 大喜1、多田 篤史1、窪田 剛志2、_橋 弘雄1、冨永 貴志2、岸本 泰司
    • Organizer
      NEURO2022(第45回日本神経科学大会、第65回日本神経化学大会、第35回日本神経回路学会)
  • [Presentation] 幼若および成体マウスの新規物体認識行動と嗅皮質神経回路のin vitro膜電位イメージング2022

    • Author(s)
      *井出 悠也1、井上 翼1、斎藤 雄輝1、岩岡 みほり1、冨永 貴志2、梶原 利一
    • Organizer
      NEURO2022(第45回日本神経科学大会、第65回日本神経化学大会、第36回日本神経回路学会)
  • [Presentation] Cuprizone短期投与によりプレパルス抑制が障害されたマウスにおける統合失調症関連分子の免疫組織化学的研究2022

    • Author(s)
      8.*佃 京華1、窪田 剛志2、千葉 葵4、冨永 貴志1、岸本 泰司3、中島 健太郎
    • Organizer
      NEURO2022(第45回日本神経科学大会、第65回日本神経化学大会、第37回日本神経回路学会)
  • [Presentation] A novel in vitro assay for seizure prediction using voltage-sensitive dye imaging (VSDI) in the mouse hippocampus2022

    • Author(s)
      内海 雄一1,2, 竹歳 麻紀子2, 小原 菜夏3, 三輪 倫子3, 冨永 洋子2, 冨永 貴志1
    • Organizer
      第13回日本生物物理学会中国四国支部大会
  • [Presentation] 老齢および若齢マウス脳の海馬における膜電位感受性色素イメージング法を用いた神経回路研究と 免疫組織化学的解析2022

    • Author(s)
      佃 京華 1, 2,吉丸 侑希 3,大西 健太 3,竹歳 麻紀子 2,冨永洋子 2,中島健太郎 1,2,冨永貴志
    • Organizer
      第14回日本生物物理学会中国四国支部大会
  • [Presentation] 膜電位感受性色素を用いた多発性硬化症モデルマウスでの神経回路解析2022

    • Author(s)
      三輪 倫子1*, 佃 京華2, 竹歳 麻紀子2, 冨永 洋子2, 中島 健太郎1,2, 冨永 貴志
    • Organizer
      第13回日本生物物理学会中国四国支部大会
  • [Remarks] 徳島文理大学神経科学研究所Laboratory for Neural Circuit Systems

    • URL

      https://www.bunri-u.ac.jp/ins/lncs.html

URL: 

Published: 2023-12-25  

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