触覚パターン時空間認知の神経回路機構の光遺伝学的研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25250001
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 八尾 寛 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (00144353)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大原 慎也 東北大学, 生命科学研究科, 助教 (10570038) ; 住吉 晃 東北大学, 加齢医学研究所, 助教 (80612530)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 体性感覚 / 触覚 / バレル野 / 脳機能イメージング / fMRI / チャネルロドプシン / 光遺伝学 / オプトジェネティクス

Outline of Annual Research Achievements

ウィスカ床光刺激に対する応答を、反対側大脳皮質バレル野において計測したところ、青色光照射に同期したユニット活動(MUA)の上昇および局所フィールド電位(LFP)の変動を計測した。バレル野MUAは、反対側のウィスカ床の青色光照射に同期したバースト活動(Light-evoked burst, LEB)、LEBに引き続いた活動休止期、10-20Hzの頻度で繰り返すアフターバーストから構成されていた。また、LFPについては、光照射に同期したネガティブ応答とこれに引き続くスピンドル振動(10-20 Hz)が認められた。このような状態遷移応答は、ウィスカ光刺激の時間・空間的パターンに依存しており、知覚パターンの脳内表現の一種であると考えられる。このような実験系は、世界的に類例がなく、それぞれのウィスカを独立にパターン刺激する道が開かれた。これは、感覚生理学の分野において、時空間パターンの脳内表現の解明に至るマイルストーンである。さらに、PC上のプログラムで光源オン・オフパターンを作成し、16チャネルD/Aコンバーターを介して出力し、14個それぞれのチャネルのアウトプットをブースター回路により電流増幅し（うち2チャンネルを同期トリガーに用いる）、光源を駆動するOTP装置を開発した。すなわち，14個の光源が任意の独立した時系列パターンでオン・オフする。それぞれの光源からの光をプラスチックファイバー（φ, 0.75 mm）に導入した。W-TChR2V4ラットの片側のウィスカを剃り、それぞれのウィスカの付け根をファイバーに結合させた。また、これを用いたOptofMRI計測システムを最適化した。その結果、OTPに対応したBOLD信号の時空間パターンを得ることに成功した。これらの成果は、論文として報告した(Hojoh et al., 2014)。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究課題の遂行において、基盤となる実験システムを開発し、最適化することに成功した。本研究においては、ラットのウィスカに与えた時空間パターンの脳内表現を解明することを目的としている。本年度は、異なる時空間パターンをどこまで識別できるかを検証した。ウィスカ光刺激と報酬を関連付ける条件付け実験システムを構築し、ウィスカ光刺激直後5秒以内にリッキングすると報酬を得るGoタスクと、5秒間リッキングを抑制すると報酬を得るNo-goタスクを課した。ラットは、いずれのタスクもすみやかに学習した。また、2か所の光刺激にGoとNo-goを関連付けたところ、これらの場所の違いを識別した。また、Ca2+イメージングについては、（1）Ca2+感受性蛍光タンパク質R-CAMP1コンストラクトを組込んだAAVベクターの作製、（2）2光子顕微鏡を用いたイメージング技術の最適化、を達成した。

Strategy for Future Research Activity

平成26年度に引き続き、Ca2+イメージングを最適化する。電気生理学的計測、Ca2+イメージング、fMRIをOTPと組み合わせ、時空間パターの識別に関わる脳内表現を解明する。

Research Products

• [Journal Article] Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump. (2015)
  • Author(s): Kato, H. E., Inoue, K., Abe-Yoshizumi, R., Kato, Y., Ono, H., Konno, M., Ishizuka, T., Hoque, M. R., Hososhima, S., Kunitomo, H., Ito, J., Yoshizawa, S., Yamashita, K., Takemoto, M., Nishizawa, T., Taniguchi, R., Kogure, K., Maturana, A. D., Iino, Yuichi., Yawo, H., Ishitani, R., Kandori, H., Nureki, O.
  • Journal Title: Nature Volume: 521 Pages: 48-53
  • DOI: 10.1038/nature14322
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optogenetic induction of contractile ability in immature C2C12 myotubes. (2015)
  • Author(s): Asano T, Ishizuka T, Morishima K, Yawo H
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 5 Pages: 8317
  • DOI: 10.1038/srep08317
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Kinetic evaluation of photosensitivity in bi-stable variants of chimeric channelrhodopsins. (2015)
  • Author(s): Hososhima S, Sakai S, Ishizuka T, Yawo H
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 10 Pages: e0119558
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0119558
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Chimeras of channelrhodopsin-1 and -2 from Chlamydomonas reinhardtii possess distinctive light-induced structural changes with less protonation change of a key glutamate residue for the gating behavior. (2015)
  • Author(s): Inaguma A, Tsukamoto H, Kato HE, Kimura T, Ishizuka T, Yawo H, Nureki O, Furutani Y
  • Journal Title: J Biol Chem Volume: Mar 21 Pages: －
  • DOI: jbc.M115.642256
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Near-infrared (NIR) optogenetics using up-conversion system. (2015)
  • Author(s): Shoko Hososhima ; Hideya Yuasa ; Toru Ishizuka and Hiromu Yawo
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 9305 Pages: 93052R
  • DOI: 10.1117/12.2078875
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optogenetic patterning of whisker-barrel cortical system in transgenic rat expressing channelrhodopsin-2. (2014)
  • Author(s): Honjoh T, Ji Z-G, Yokoyama Y, Sumiyoshi A, Shibuya Y, Matsuzaka Y, Kawashima R, Mushiake H, Ishizuka T, Yawo H
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 9 Pages: e93706
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0093706
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Regulation of later neurogenic stages of adult-derived neural stem/progenitor cells by L-type Ca2+ channels. (2014)
  • Author(s): Teh DBL, Ishizuka T, Yawo H
  • Journal Title: Develop Growth Differ Volume: 56 Pages: 583-594
  • DOI: 0.1111/dgd.12158
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photofunctional nanomodulators for bioexcitation. (2014)
  • Author(s): Miyako E, Russier J, MauroM, Cebrian C, Yawo H, Menard-Moyon C, Hutchison JA, Yudasaka M, Iijima S, De Cola L, Bianco A
  • Journal Title: Angew Chem Int Ed. Volume: 53 Pages: 13121-13125
  • DOI: 10.1002/anie.201407169
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] オプトジェネティクスによる細胞機能の光操作． (2014)
  • Author(s): 江川遼，八尾寛
  • Journal Title: 細胞 Volume: 46 Pages: 35-38
• [Presentation] チャネルロドプシン光電変換の特性と応用 (2015)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: 理研シンポジウム「細胞システムの動態と論理 Ⅶ」
  • Place of Presentation: 和光市
  • Year and Date: 2015-04-02 – 2015-04-03
  • Invited
• [Presentation] A new reporter rat line which express bright red fluorescent protein (tdTomato) conditionally under Cre-loxP system. (2015)
  • Author(s): Igarashi H, Koizumi K, Kaneko R, Ikeda K, Onimaru H, Yanagawa Y, Muramatsu S-I, Ishizuka T, Yawo H
  • Organizer: 第92回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [Presentation] Discrimination of optogenetic whisker pattern in channelrhodopsin-2 transgenic rat. (2015)
  • Author(s): Abe K, Ishizuka T, Yawo H
  • Organizer: 第92回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [Presentation] Opt-fMRI study of whisker-barrel cortical responses using channelrhodopsin-2 expressing rat. (2015)
  • Author(s): Yokoyama Y, Sumiyoshi A, Kawashima R, Yawo H
  • Organizer: 第92回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [Presentation] チャネルロドプシンの分子ダイナミクス. (2015)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: 蛋白研セミナー「光運動反応・光センサー蛋白質・光遺伝学」
  • Place of Presentation: 吹田
  • Year and Date: 2015-03-10 – 2015-03-11
  • Invited
• [Presentation] Near-infrared (NIR) optogenetics using up-conversion system. (2015)
  • Author(s): Hososhima S, Yuasa H, Ishizuka T, Yawo H
  • Organizer: SPIE Photonics West-Bios
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2015-02-07 – 2015-02-12
• [Presentation] 光で生命機能に干渉する ～オプトジェネティクス（光遺伝学）の現況と展望～（チュートリアル）. (2014)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: 応用物理学会 量子エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: 軽井沢
  • Year and Date: 2014-12-19 – 2014-12-20
  • Invited
• [Presentation] 触覚時空間パターン脳内表現のオプトジェネティクス. (2014)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: 第35 回日本レーザー医学会総会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-11-29 – 2014-11-30
  • Invited
• [Presentation] ランタニドナノ粒子のアップコンバージョン効果を応用した生体の近赤外光操作. (2014)
  • Author(s): 細島頌子, 湯浅英哉, 石塚徹, 八尾寛
  • Organizer: 第36回日本バイオマテリアル学会大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-11-17 – 2014-11-18
• [Presentation] Developmental connectomics of axonal reorganization in avian ciliary ganglion. (2014)
  • Author(s): R. Egawa, S. Hososhima, T. Ishizuka, H. Yawo
  • Organizer: Neuroscience 2014
  • Place of Presentation: Washington DC, USA
  • Year and Date: 2014-11-15 – 2014-11-19
• [Presentation] Evaluation of a novel reporter rat line which conditionally expresses red fluorescent protein (tdTomato). (2014)
  • Author(s): H. Igarashi, K. Koizumi, R. Kaneko, K. Ikeda, H. Onimaru, Y. Yanagawa, S.-I. Muramatsu, T. Ishizuka, H. Yawo
  • Organizer: Neuroscience 2014
  • Place of Presentation: Washington DC, USA
  • Year and Date: 2014-11-15 – 2014-11-19
• [Presentation] 感覚の遺伝子工学. (2014)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: 第５回感性センシング応用ロードマップ技術分科会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-11-04 – 2014-11-04
  • Invited
• [Presentation] Optogenetic patterning of touch perception -- sensing light by skin. (2014)
  • Author(s): Yawo H. Yokoyama Y, Sumiyoshi A, Abe A, Koizumi K, Egawa R, Liu Y, Ohshiro T, Matsuzaka Y, Kawashima R, Mushiake H, Ishizuka T
  • Organizer: The 16th International Conference on Retinal Proteins (ICRP2014)
  • Place of Presentation: Nagahama, Japan
  • Year and Date: 2014-10-05 – 2014-10-10
  • Invited
• [Presentation] Bi-stable variants of chimeric channelrhodopsins - kinetics-dependent activation of neurons. (2014)
  • Author(s): Hososhima S, Ishizuka T, Yawo H
  • Organizer: The 16th International Conference on Retinal Proteins (ICRP2014)
  • Place of Presentation: Nagahama, Japan
  • Year and Date: 2014-10-05 – 2014-10-10
• [Presentation] Light-induced membrane depolarization by two-component optogenetic. (2014)
  • Author(s): A. Zamani, T. Ishizuka, H. Yawo
  • Organizer: The 16th International Conference on Retinal Proteins (ICRP2014)
  • Place of Presentation: Nagahama, Japan
  • Year and Date: 2014-10-05 – 2014-10-10
• [Presentation] Functional MRI signal to optogenetic tactile pattern of channelrhodopsin-2 expressing rat in barrel cortex. (2014)
  • Author(s): Y. Yokoyama, A. Sumiyoshi, R. Kawashima, H. Yawo
  • Organizer: The 16th International Conference on Retinal Proteins (ICRP2014)
  • Place of Presentation: Nagahama, Japan
  • Year and Date: 2014-10-05 – 2014-10-10
• [Presentation] 触覚パターンのオプトジェネティクス制御. (2014)
  • Author(s): 八尾寛, 横山超一, 住吉晃, 阿部健太, 小泉協, 江川遼, 劉越人, 大城朝一, 松坂義哉, 川島隆太, 虫明元, 石塚徹
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
  • Invited
• [Presentation] 赤色蛍光タンパク質tdTomatoをCre-loxPコンディショナルに発現するレポーターラットの評価． (2014)
  • Author(s): 五十嵐敬幸，小泉協，金子涼輔，池田啓子，鬼丸洋，柳川右千夫，村松 慎一，石塚 徹，八尾寛
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] ニワトリ胚毛様体神経節の発達期におけるカスパーゼ6依存的なシナプスリモデリング． (2014)
  • Author(s): 加藤秀理，江川遼，細島頌子，石塚徹，八尾寛
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] ニワトリ胚毛様体神経節における軸索再編成の発達期コネクトミクス研究． (2014)
  • Author(s): 江川遼，細島頌子，石塚徹，八尾寛
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] オプトジェネティックスを用いた触覚パターンによるバレル野のfMRI応答． (2014)
  • Author(s): 横山超一，住吉晃，川島隆太，八尾寛
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] 八尾寛．光を触覚として感じるラット． (2014)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: 光操作研究会シンポジウム
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2014-08-21 – 2014-08-22
  • Invited
• [Presentation] Target-dependent direction of Muse cell differentiation -- a proposal of in vitro model system. (2014)
  • Author(s): H. Igarashi, T. Morita, T. Murakami, Y. Matsuzaki, A. Konno, T. Ishizuka, M. Dezawa, H. Yawo
  • Organizer: 5th International Congress on Stem Cells and Tissue Formation
  • Place of Presentation: Dresden, Germany
  • Year and Date: 2014-07-08 – 2014-07-11
• [Presentation] 発達期ニワトリ胚毛様体神経節で見られるプレシナプス刈り込みへのカスパーゼ6の関与． (2014)
  • Author(s): 加藤秀理，江川遼，細島頌子，石塚徹，八尾寛
  • Organizer: 第47回発生生物学会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2014-05-27 – 2014-05-30
• [Presentation] Rat-Based Systems for Basic and Clinical Optogenetics. (2014)
  • Author(s): Yawo H.
  • Organizer: Gordon Research Conference on Photosensory Receptors and Signal Transduction
  • Place of Presentation: Lucca (Barga), Italy
  • Year and Date: 2014-04-06 – 2014-04-11
  • Invited
• [Presentation] The molecular determinants involved in the Gd3+-dependent channel block of channelrhodopsins. (2014)
  • Author(s): Yawo H, Watanabe S, Ishizuka T
  • Organizer: Gordon Research Conference on Photosensory Receptors and Signal Transduction
  • Place of Presentation: Lucca (Barga), Italy
  • Year and Date: 2014-04-06 – 2014-04-11
• [Book] Optogenetics: Light-Sensing Proteins and Their Applications (2015)
  • Author(s): Yawo H, Kandori H, Koizumi Eds.
  • Total Pages: 512
  • Publisher: Springer, Tokyo
• [Book] Chaptor 8. General description: Future prospects of optogenetics. “Optogenetics: Light-Sensing Proteins and Their Applications” (2015)
  • Author(s): Yawo, H., Egawa, R., Hososhima, S., Wen, L
  • Total Pages: 22
  • Publisher: Springer, Tokyo
• [Book] Chaptor 21. Strategies to probe mechanoreception: from mechanical to optogenetic approaches. “Optogenetics: Light-Sensing Proteins and Their Applications” (2015)
  • Author(s): Ji, Z.-G., Ishizuka, T., Yawo, H
  • Total Pages: 10
  • Publisher: Springer, Tokyo
• [Remarks] 東北大学研究者紹介
  • URL: http://db.tohoku.ac.jp/whois/detail/0684d30b13c056e926b65120463918fb.html
• [Remarks] 東北大学大学院生命科学研究科
  • URL: http://www.lifesci.tohoku.ac.jp/
• [Remarks] 脳機能解析分野
  • URL: http://neuro.med.tohoku.ac.jp/
• [Remarks] 東北大学脳科学センター
  • URL: http://www.bsc.tohoku.ac.jp/contents/c2_32/c2_32_yao_h.html
• [Remarks] 東北大学プレスリリース
  • URL: http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2015/02/press20150205-01.html