2014 Fiscal Year Research-status Report
光刺激操作を用いた内発性動作における基底核ー運動前野ネットワークの機能解析
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24500397
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| Research Institution | National Center of Neurology and Psychiatry |
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Principal Investigator |
有村 奈利子 独立行政法人国立精神・神経医療研究センター, 神経研究所 病態生化学研究部, 流動研究員 (20420375)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 神経回路 / 大脳基底核 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大脳基底核と運動前野は、動作決定から運動の準備実行まで、幅広い運動機能の制御に関与している。現状ではこれら２領域間の機能連関の実態は依然として不明な点が多い。これまでの研究で私は、行動課題を遂行しているサルの基底核の出力部である淡蒼球と運動前野からニューロン活動を記録し、これらの間の機能連関を検討してきた。この課題では、左または右に到達するといった「動作概念」を指示として与えて、引き続き呈示された選択肢刺激にもとづいて「実際の動作」を決定、実行することができる。昨年度私は上記研究成果をJournal of Neuroscience誌に報告した。本論文では、基底核の指示刺激に対する反応は、腹側外側前頭前野のそれとほぼ同じタイミングで見られたことを報告した。つまり情報の階層性の点で、基底核が前頭前野と同じくらい早く機能する事を意味している。また、実際の動作に選択的に反応する神経活動の出現は、基底核と運動前野、前頭前野においてほとんど変化はなかった。対照的に、単純に行動を指示されて運動を決める場合は、基底核の活動は運動前野や前頭前野よりも優位に遅かった。従って動作概念を呈示された場合、実際の行動を決める過程には基底核は早い段階で関与していることが示唆された。私は、さらに基底核や運動野の機能を検討する為にオプトジェネティクスの技術を使用した。光刺激に応答して膜電位を変化させるチャネルロドプシンやハロロドプシンを、アデノ随伴ウイルスとレンチウイルスに組み込んだものを使用し、高タイターのウイルス精製法を確立した。また、ラット一次運動野にウイルス液を注入し、刺激により四肢の動きを制御することに成功した。これらの結果を基に現在論文作成を検討している。さらに基底核を中心とした黒質及び上丘下丘の神経回路形成と分子メカニズムに関して、中脳への軸索投射と神経細胞移動の関係性について新たな知見を見いだした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２４年から行ってきたオプトジェネティクスに関する研究成果を見直し、論文報告を検討している点や、昨年度設定した基底核連関回路の解析の一部として、基底核、中脳(黒質及び上丘下丘)と大脳皮質を介した前屈姿勢異常や振戦と分子、回路メカニズムに関する研究成果がある事などから達成度は高いと考えている。これまでの研究で、私は大脳基底核―黒質の投射経路、線条体黒質路に投射異常のあるマウスを得た。本マウスでは姿勢保持異常や振戦等が見られており、このマウスを使った線条体黒質路の回路異常と神経活動異常と、疾患原因遺伝子の分子機能の解析も行った。具体的には、原因遺伝子の分子間相互作用を知るために、マウス脳抽出液中から免疫沈降法を用いて結合分子を単離し、液体クロマトグラフィーと質量分析によるショットガン解析を試みた。その結果、ある特定のシグナル伝達系に関わる分子群が、相互作用分子として同定された。そこでそのシグナルカスケードの活性化状態を原因遺伝子が制御する事を見いだした。原因遺伝子にpHluorinを結合させて原因遺伝子の分布について検討し、細胞移動時に特徴的領域に濃縮する事を見いだした。特にGAD67-GFP陽性細胞の細胞移動に原因遺伝子が関与する事を見いだした。以上の点を総合的に鑑み、研究は進展していると考えた。
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| Strategy for Future Research Activity |
基底核、中脳(黒質及び上丘下丘)と大脳皮質を介した前屈姿勢異常や振戦と分子、回路メカニズムの解明
一昨年度、大脳基底核―黒質の投射経路、線条体黒質路に投射異常のあるマウスを得た。このマウスは、パーキンソン病の前屈姿勢異常や振戦によく似た症状を示し、歩行や食事動作に影響が見られる。パーキンソン病の病理として中脳黒質、青斑核の神経細胞脱落が報告されており、これらによる大脳基底核や大脳皮質への入力異常が原因と考えられている。しかしこれらの症状について、基底核と大脳皮質の機能連関と分子メカニズムについては不明な点が多い。
本年度は、中脳における原因遺伝子とその相互作用分子による軸索の投射や神経活動の異常な興奮性の原因を特定することを目指し研究を進める。また相互作用分子をin utero electropolation法など用いて過剰発現、もしくは発現抑制を行い、神経発生から細胞移動、軸索の投射についてどの点に重要な機能異常が見られるか検討する。異常の見られた脳領域の特定の箇所において、オプトジェネティクスの技術を用いて、神経活動を変化させ、マウスの行動の変化を確認する。この実験において、行動課題依存的に神経活動が変化した神経細胞のある箇所に、光刺激により膜電位を変化させる光駆動性チャネル及びポンプ（チャネルロドプシン、ハロロドプシン）を発現させ、神経活動の抑制や増強を行う。これらの実験を行うことで、姿勢保持や振戦における基底核と大脳皮質の機能連関を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
平成２６年１２月に第二子を出産し、産前産後休暇及び育児休暇の期間中、研究活動が行えなかった為、未使用額が生じた。平成２６年度使用予定であった旅費は、平成２６年１２月に発表予定であった分子生物学会で使用する予定であったが、出産と重なった為発表を断念した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成２７年度は平成２６年度の休暇期間中に解析する予定であった研究を引き続き行う。具体的には以下の通りである。昨年度、大脳基底核―黒質の投射経路、線条体黒質路に投射異常のあるマウスを得た。このマウスは、パーキンソン病の前屈姿勢異常や振戦によく似た症状を示し、歩行や食事動作に影響が見られる。研究再開後は、引き続き投射異常や神経活動の異常な興奮性の原因を特定することを目指した研究を行う。原因遺伝子の結合分子として現在までに特定した分子について、in utero electropolation法など用いて過剰発現、もしくは発現抑制を行い、神経発生から細胞移動、軸索の投射についてどの点に重要な機能異常が見られるか検討し、姿勢保持や振戦における基底核と大脳皮質の機能連関を明らかにする。
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