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2016 Fiscal Year Annual Research Report

Optogenetic study of neural architecture involved in the spatiotemporal tactile pattern recognition

Research Project

Project/Area Number 25250001
Research InstitutionTohoku 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住吉 晃  東北大学, 加齢医学研究所, 助教 (80612530) [Withdrawn]
Project Period (FY) 2013-04-01 – 2018-03-31
Keywords大脳皮質 / 一次知覚野 / 触覚 / 時空間パターン / 光遺伝学 / 電気生理学 / パラダイムシフト / カルシウムイメージング
Outline of Annual Research Achievements

昨年度の研究を発展させ、ウィスカ毛根周囲の機械受容ニューロン軸索端にチャネルロドプシン2(ChR2)を発現するトランスジェニックラット(W-TChR2V4)のそれぞれのウィスカ毛根と青色LED光源をファイバーに結合させた。大脳皮質バレル野からユニット記録しながら、それぞれのウィスカ毛根に光を順次照射したところ、それぞれのユニットは、特徴的な応答パターンで複数のウィスカに応答した。すなわち、バレル野のニューロンには、複数のウィスカの組合せに応答するものがあることが示唆された(Liu et al., 第39回日本神経科学大会, 2016; 劉越人ら, 先端モデル動物支援プラットフォーム平成28年度成果発表会, 2017)。ラットの触覚パターン認識の神経回路機構を研究する目的で、W-TChR2V4ラットの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、Go, No-goのパラダイムシフトをすみやかに学習した(Abe & Yawo, 第39回日本神経科学大会, 2016)。微小プリズムを用いた2光子in vivoカルシウムイメージングを光操作技術と組み合わせ、大脳皮質横断的にパターン照射するシステムを最適化した。ウイルスベクターを用いて、マウス大脳皮質一次知覚野第Ⅴ層ニューロンにチャネルロドプシンとカルシウムセンサーR-CaMP2を発現させ、時空間パターン光刺激することにより、第Ⅴ層における入出力特性を解析した(Koizumi et al., 第39回日本神経科学大会, 2016他)。これにより、5層メゾスコピック回路における入出力の機能構築を解明した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

ラットウィスカ毛根の光刺激の時空間パターンと大脳皮質一次知覚野のユニット計測研究に関しては、基盤となる実験システムの最適化をほぼ終了し、膨大なデータが蓄積されつつある。また、これらのデータから、パターン情報処理に関する機能構築が解明されつつあり、期間内に当初の目的を達成することが見込まれる。バレル野において、単純なパターンの識別がなされていることが示唆される。ウィスカ光刺激と報酬を関連付ける条件付け実験については、例数を増やすことにより、確実性を高められた。マイクロプリズムと2光子顕微鏡を用いたオール光のin vivoメゾスコピック脳機能解析システムの最適化に成功し、膨大なデータが蓄積されつつある。また、これらのデータから、大脳皮質入出力に関する機能構築が解明されつつあり、期間内に当初の目的を達成することが見込まれる。

Strategy for Future Research Activity

(1)前年度までの研究により、大脳皮質一次知覚野II/III層のシングルユニット計測を最適化した。これを用い、個々のニューロン受容野を解明する。
(2)前年度までの研究により、微小プリズムを用いた2光子in vivoカルシウムイメージングを光操作技術と組み合わせ、大脳皮質横断的にパターン照射するシステムを最適化した。チャネルロドプシンをマウス大脳皮質第Ⅳ層ニューロンに発現するマウス大脳皮質に、ウイルスベクターを用いてR-CaMP2を発現させ、第Ⅳ層を光刺激することにより、感覚入力を再現し、その応答を個々のニューロンにおいて解析する。これにより、一次知覚野におけるパターン入力情報処理の神経回路機構を解明する。
(3)前年度までの研究により、ウィスカOTPを用いた条件付けにおいて、複数のウィスカの同期刺激と非同期刺激が弁別されることを見出した。これをさらに推し進め、同期・非同期弁別の神経回路機構を解明する。
(4)前年度に引き続き、増殖欠損型改変狂犬病ウイルスベクターによるバレル野や視床の逆行性標識を最適化する。

  • Research Products

    (45 results)

All 2018 2017 2016 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (10 results) (of which Peer Reviewed: 10 results,  Acknowledgement Compliant: 5 results,  Open Access: 4 results) Presentation (32 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 6 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] Johns Hopkins University/National University of Singapore(シンガポール)

    • Country Name
      SINGAPORE
    • Counterpart Institution
      Johns Hopkins University/National University of Singapore
  • [Journal Article] Blockade of the KATP channel Kir6.2 by memantine represents a novel mechanism relevant to Alzheimer's disease therapy.2018

    • Author(s)
      Moriguchi S, Ishizuka T, Yabuki Y, Shioda N, Sasaki Y, Tagashira H, Yawo H, Yeh JZ, Sakagami H, Narahashi T, Fukunaga K.
    • Journal Title

      Mol Psychiatry.

      Volume: 23 Pages: 211~221

    • DOI

      10.1038/mp.2016.187

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] In Vivo Spiking Dynamics of Intra- and Extratelencephalic Projection Neurons in Rat Motor Cortex.2017

    • Author(s)
      Saiki A, Sakai Y, Fukabori R, Soma S, Yoshida J, Kawabata M, Yawo H, Kobayashi K, Kimura M, Isomura Y.
    • Journal Title

      Cereb Cortex.

      Volume: 印刷中 Pages: 印刷中

    • DOI

      10.1093/cercor/bhx012

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Kinetic characteristics of chimeric channelrhodopsins implicate the molecular identity involved in desensitization.2017

    • Author(s)
      Alemeh Zamani, Shigeo Sakuragi, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo.
    • Journal Title

      Biophysics and Physicobiology

      Volume: 14 Pages: 13-22

    • DOI

      10.2142/biophysico.14.0_13

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Regulation of axon arborization pattern in the developing chick ciliary ganglion: Possible involvement of caspase 3.2017

    • Author(s)
      Katow, Hidetaka; Kanaya, Teppei; Ogawa, Tomohisa; Egawa, Ryo; Yawo, Hiromu
    • Journal Title

      Development Growth and Differentiation.

      Volume: 59 Pages: 印刷中

    • DOI

      10.1111/dgd.12346

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] The regulatory mechanism of ion permeation through a channelrhodopsin derived from Mesostigma viride (MvChR1).2016

    • Author(s)
      Watanabe S, Ishizuka T, Hososhima S, Zamani A, Hoque MR, Yawo H.
    • Journal Title

      Photochem Photobiol Sci.

      Volume: 15 Pages: 365-367

    • DOI

      10.1039/c5pp00290g

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] A Novel Reporter Rat Strain That Conditionally Expresses the Bright Red Fluorescent Protein tdTomato.2016

    • Author(s)
      Igarashi H, Koizumi K, Kaneko R, Ikeda K, Egawa R, Yanagawa Y, Muramatsu S, Onimaru H, Ishizuka T, Yawo H.
    • Journal Title

      PLoS One.

      Volume: 11 Pages: e0155687

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0155687

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Position- and quantity-dependent responses in zebrafish turning behavior.2016

    • Author(s)
      Umeda K, Ishizuka T, Yawo H, Shoji W.
    • Journal Title

      Sci Rep.

      Volume: 6 Pages: 27888

    • DOI

      10.1038/srep27888

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Integration of Organic Electrochemical and Field-Effect Transistors for Ultraflexible, High Temporal Resolution Electrophysiology Arrays.2016

    • Author(s)
      Lee W, Kim D, Rivnay J, Matsuhisa N, Lonjaret T, Yokota T, Yawo H, Sekino M, Malliaras GG, Someya T.
    • Journal Title

      Adv Mater.

      Volume: 28 Pages: 9722-9728

    • DOI

      10.1002/adma.201602237

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Adrenergic receptor-mediated modulation of striatal firing patterns.2016

    • Author(s)
      Ohta H, Kohno Y, Arake M, Tamura R, Yukawa S, Sato Y, Morimoto Y, Nishida Y, Yawo H.
    • Journal Title

      Neurosci Res.

      Volume: 112 Pages: 47-56

    • DOI

      10.1016/j.neures.2016.05.004

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A Chimera Na+-Pump Rhodopsin as an Effective Optogenetic Silencer.2016

    • Author(s)
      Hoque MR, Ishizuka T, Inoue K, Abe-Yoshizumi R, Igarashi H, Mishima T, Kandori H, Yawo H.
    • Journal Title

      PLoS One.

      Volume: 1 Pages: e0166820

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0166820

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Optical manipulation of intracellular Ca2+ dynamics in Neuron2017

    • Author(s)
      Kaichi Sugihara, Hiroyuki Igarashi, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo
    • Organizer
      第94回日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      浜松
    • Year and Date
      2017-03-28 – 2017-03-30
  • [Presentation] All-optical analysis of mesoscopic circuit function in the primary somatosensory cortex of mice2017

    • Author(s)
      Kyo Koizumi, Hiromu Yawo
    • Organizer
      第94回日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      浜松
    • Year and Date
      2017-03-28 – 2017-03-30
  • [Presentation] Upconversion-rhodopsin hybrid system for near-infrared manipulation of neural network2017

    • Author(s)
      Hiromu Yawo, Shoko Hososhima, Hideya Yuasa, Takayuki Yamashita, Akihiro Yamanaka, Toru Ishizuka
    • Organizer
      第94回日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      浜松
    • Year and Date
      2017-03-28 – 2017-03-30
  • [Presentation] Organelle-optogenetics -Intervention of the intracellular Ca2+ dynamics by light-2017

    • Author(s)
      Hiroyuki Igarashi, Ayaka Yoshikawa, Toshifumi Asano, Ayumu Konno, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo
    • Organizer
      第94回日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      浜松
    • Year and Date
      2017-03-28 – 2017-03-30
    • Invited
  • [Presentation] Receptive field of a neuron in the rat barrel cortex - optogenetic whisker stimulation with a spatiotemporal pattern.2017

    • Author(s)
      Hiromu Yawo
    • Organizer
      the Nanyang Technological University (NTU) workshop on “Shedding light on the brain: merging neuroscience and photonics”
    • Place of Presentation
      Singapore, Singapore
    • Year and Date
      2017-03-21 – 2017-03-21
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Is the pre-post ratio of motor projection dependent on the number of competitors? - a quantitative connectomics study2017

    • Author(s)
      Takahiro Takahashi, Hiromu Yawo
    • Organizer
      The 2017 Japan-NIH joint Symposium
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      2017-02-15 – 2017-02-17
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 新規トランスジェニックラット3 系統の開発- tdTomato レポーターラット, Flame ラット, ChRFR(C167A)レポーターラット-2017

    • Author(s)
      五十嵐敬幸, 小泉協, 金子涼輔, 池田啓子, 江川遼, 柳川右千夫, 村松慎一, 鬼丸洋, 石塚徹, 八尾寛
    • Organizer
      先端モデル動物支援プラットフォーム平成28年度成果発表会
    • Place of Presentation
      大津
    • Year and Date
      2017-02-06 – 2017-02-07
  • [Presentation] Functional mapping of rat barrel cortex for spatiotemporal optogenetic patterns to whiskers2017

    • Author(s)
      劉越人, 櫻木繁雄, 八尾寛
    • Organizer
      先端モデル動物支援プラットフォーム平成28年度成果発表会
    • Place of Presentation
      大津
    • Year and Date
      2017-02-06 – 2017-02-07
  • [Presentation] 発達期神経回路再編成の定量コネクトミクス解析2016

    • Author(s)
      江川 遼
    • Organizer
      第4回「適応回路シフト」領域班会議
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2016-12-19 – 2016-12-20
  • [Presentation] 小胞体Ca2+ダイナミクスの光操作-適応回路シフト研究の新展開2016

    • Author(s)
      五十嵐 敬幸
    • Organizer
      第4回「適応回路シフト」領域班会議
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2016-12-19 – 2016-12-20
  • [Presentation] オプトジェネティクス革命2016

    • Author(s)
      八尾寛
    • Organizer
      第54回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      つくば
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-27
    • Invited
  • [Presentation] Spectral characteristics of chimeric channelrhodopsins implicate the molecular identity involved in desensitization2016

    • Author(s)
      Alemeh Zamani, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo
    • Organizer
      第54回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      つくば
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-27
  • [Presentation] 大脳皮質局所回路のin vivoオール光機能解析2016

    • Author(s)
      小泉協, 八尾寛
    • Organizer
      生理学研究所研究会「シナプス伝達の細胞分子調節機構」
    • Place of Presentation
      岡崎
    • Year and Date
      2016-11-21 – 2016-11-22
  • [Presentation] 神経細胞における小胞体Ca2+ダイナミクスの光操作2016

    • Author(s)
      杉原嘉一, 五十嵐敬幸, 石塚徹, 八尾寛
    • Organizer
      第48回東北生理談話会
    • Place of Presentation
      盛岡
    • Year and Date
      2016-10-15 – 2016-10-15
  • [Presentation] Upconversion-rhodopsin hybrid system for near-infared optogenetics2016

    • Author(s)
      Shoko Hososhima, Hideya Yuasa, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo
    • Organizer
      17th International Conference on Retinal Proteins
    • Place of Presentation
      Potsdam, Germany
    • Year and Date
      2016-10-02 – 2016-10-07
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Intervention of the intracellular Ca2+ dynamics by light - light-sensitive myoblasts as in vitro model of sarcomere assembly -2016

    • Author(s)
      Hiroyuki Igarashi, Ayaka Yoshikawa, Toshifumi Asano, Ayumu Konno, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo
    • Organizer
      17th International Conference on Retinal Proteins
    • Place of Presentation
      Potsdam, Germany
    • Year and Date
      2016-10-02 – 2016-10-07
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 小胞体Ca2+ダイナミクスの光操作 - 光感受性C2C12を用いたSarcomere assembly 研究モデル2016

    • Author(s)
      五十嵐敬幸, 吉川彩香, 浅野豪文, 石塚徹, 八尾寛
    • Organizer
      第2回日本筋学会学術集会
    • Place of Presentation
      小平市
    • Year and Date
      2016-08-05 – 2016-08-06
  • [Presentation] オルガネラ光操作2016

    • Author(s)
      八尾寛
    • Organizer
      ルミノジェネティクス研究会
    • Place of Presentation
      熱海
    • Year and Date
      2016-07-23 – 2016-07-24
    • Invited
  • [Presentation] オール光のin vivoメゾスコピック脳機能解析2016

    • Author(s)
      八尾寛
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      横浜
    • Year and Date
      2016-07-20 – 2016-07-22
    • Invited
  • [Presentation] Up-conversion optogenetic system using near-infrared (NIR) light2016

    • Author(s)
      Hiromu Yawo, Shoko Hososhima, Mohammad Razuanul Hoque, Hideya Yuasa, Takayuki Yamashita, Akihiro Yamanaka, Toru Ishizuka
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      横浜
    • Year and Date
      2016-07-20 – 2016-07-22
  • [Presentation] Optogenetic conditioning of paradigms discrimination in the rat whisker-barreL system2016

    • Author(s)
      Kenta Abe, Hiromu Yawo
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      横浜
    • Year and Date
      2016-07-20 – 2016-07-22
  • [Presentation] Involvement of caspase system in the regulation of axon arborization during early developmental stages of chick ciliary ganglion2016

    • Author(s)
      Hidetaka Katow, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      横浜
    • Year and Date
      2016-07-20 – 2016-07-22
  • [Presentation] All-optical approach to study mesoscopic circuitry in the primary somatosensory cortex of mouse2016

    • Author(s)
      Kyo Koizumi,. Masaaki Sato, Junichi Nakai, Masamichi Ohkura, Yasunori Hayashi, Hiromu Yawo
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      横浜
    • Year and Date
      2016-07-20 – 2016-07-22
  • [Presentation] Optogenetic silencing of neural activity using a chimeric light-driven Na+-transporter rhodopsin2016

    • Author(s)
      Mohammad Hoque, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      横浜
    • Year and Date
      2016-07-20 – 2016-07-22
  • [Presentation] Functional mapping of rat barrel cortex for spatiotemporal optogenetic patterns to whisker2016

    • Author(s)
      Yueren Liu, Tomokazu Ohshiro, Hiromu Yawo
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      横浜
    • Year and Date
      2016-07-20 – 2016-07-22
  • [Presentation] Optogenetics therapy for restoring locomotion after severe spinal cord injury2016

    • Author(s)
      Kenta Takashima, Naoji Matsuhisa, Akira Shimada, Peter Zalar, Tomoyuki Yokota, Masaki Sekino, Hiromu Yawo, Takao Someya, Hiroshi Onodera
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      横浜
    • Year and Date
      2016-07-20 – 2016-07-22
  • [Presentation] Low-invasive optogenetical stimulation of neurons using near infra-red light2016

    • Author(s)
      Takayuki Yamashita, Hideya Yuasa, Hiromu Yawo, Akihiro Yamanaka
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      横浜
    • Year and Date
      2016-07-20 – 2016-07-22
  • [Presentation] How do axons scramble for targets? - Activity-dependent axonal reorganization in developing chick ciliary ganglion2016

    • Author(s)
      Ryo Egawa, Hiromu Yawo
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      横浜
    • Year and Date
      2016-07-20 – 2016-07-22
  • [Presentation] 発達期神経回路再編成の定量コネクトミクス解析2016

    • Author(s)
      八尾 寛
    • Organizer
      第3回「適応回路シフト」領域班会議
    • Place of Presentation
      猪苗代町
    • Year and Date
      2016-06-30 – 2016-07-01
  • [Presentation] 軸索はどのようにして標的を奪い合うのか?:発達期軸索投射再編における神経活動の役割2016

    • Author(s)
      江川 遼
    • Organizer
      第3回「適応回路シフト」領域班会議
    • Place of Presentation
      猪苗代町
    • Year and Date
      2016-06-30 – 2016-07-01
  • [Presentation] 光と生命の融合2016

    • Author(s)
      八尾寛
    • Organizer
      最先端計測とライフサイエンスの近未来
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      2016-06-18 – 2016-06-18
    • Invited
  • [Presentation] Near-infrared (NIR) controlled optogenetics in zebrafish larva2016

    • Author(s)
      Keiko Umeda, Shoko Hososhima, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo, Wataru Shoji
    • Organizer
      発生生物学会第49回大会
    • Place of Presentation
      熊本
    • Year and Date
      2016-05-31 – 2016-06-03
  • [Remarks] 細胞/臓器/個体を自在に光らせる!世界初の赤色蛍光レポーターラット

    • URL

      http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2016/05/press20160520-02.html

  • [Remarks] 反射運動に可変性をもたらす神経回路の新たな発見

    • URL

      http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2016/06/press20160613-02.html

URL: 

Published: 2018-01-16  

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