単一シナプス活動の可視化によるpopulation codingの解析

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25290003
• Research Institution: University of Yamanashi
• Principal Investigator: 喜多村 和郎 山梨大学, 総合研究部, 教授 (60423159)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 神経情報処理 / シナプス結合 / 体性感覚 / ２光子イメージング

Outline of Annual Research Achievements

前年度までに、麻酔下マウスの体性感覚野において感覚シナプス入力を２光子イメージングにより可視化して、その時空間的な特性を明らかにしてきた。特に、感覚入力パターンは自発活動によるものと高い類似性を示すこと、樹状突起上で近傍に位置するスパインは同期した入力を受け取る確率が高いことを明らかにした。さらに、臨界期の感覚遮断実験により、感覚シナプス入力の時空間パターンが臨界期の経験依存的に形成されていることも明らかとなった。今年度は、これまで明らかにした麻酔下における感覚シナプス入力パターンの特徴が覚醒状態でも見られるかどうかを明らかにするために、覚醒下のマウスにおいてシナプス入力を可視化する実験系を確立し解析を行った。まず、高感度カルシウムセンサーG-CaMPをアデノ随伴ウイルスまたはDNAの子宮内エレクトロポレーションにより大脳皮質第２／３層錐体細胞に導入し、樹状突起のカルシウムイメージングによりシナプス入力を可視化できることを確認した。このカルシウムセンサーを導入したマウスを用いて、覚醒状態で２光子顕微鏡下に頭部固定し、自発活動および感覚刺激によるシナプス入力を可視化した。その結果、覚醒状態においても感覚刺激に応答して近傍のスパインに同期した入力があることが明らかとなった。その後、同じ樹状突起を麻酔下で観察したところ、覚醒状態で高頻度に感覚入力を受けていたスパインにおいても入力頻度が減少し、その結果、同期入力確率も減少することが明らかとなった。したがって、これまで麻酔下で観察されていた以上に覚醒状態では入力頻度、同期入力確率も高くなっており、生理的な条件下では、感覚シナプス入力の時空間パターンが樹状突起における非線形情報処理に貢献していることが予想される。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Presentation] Functional organization of cerebellar modules during skilled behavior (2016)
  • Author(s): Kazuo Kitamura
  • Organizer: 第９３回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-22 – 2016-03-24
• [Presentation] Optogenetic mapping of cerebra-cerebellar communication loop in mice (2016)
  • Author(s): Myeong Jeong Choo, Riichiro Hira, Masanori Matsuzaki, Masanobu Kano, Kazuo Kitamura
  • Organizer: 第９３回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-22 – 2016-03-24
• [Presentation] Differential learning-related changes in climbing fiber inputs to cerebellar stripes (2016)
  • Author(s): Shinichiro Tsutsumi, Naoki Hidaka, Yoshikazu Isomura, Masanori Matsuzaki, Kenji Sakimura, Masanobu Kano, Kazuo Kitamura
  • Organizer: 第９３回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-22 – 2016-03-24
• [Presentation] Rational design of ultrafast, high-affinity red calcium indicator for monitoring neuronal activity (2015)
  • Author(s): M. INOUE, A. TAKEUCHI, S.-I. HORIGANE, H. FUJII, S. KAMIJO, S. TAKEMOTO-KIMURA, M. OHKURA, K. GENGYO-ANDO, M. KANO, J. NAKAI, K. KITAMURA, H. BITO
  • Organizer: Neuroscience 2015
  • Place of Presentation: McCormick Place Convention Center (Chicago, USA)
  • Year and Date: 2015-10-17 – 2015-10-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In vivo光学イメージングと電気生理学の融合 (2015)
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Organizer: 第３８回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
  • Invited
• [Presentation] Identification of complex spikes in two-photon recording of Purkinje cell calcium responses by machine learning and ROC analysis of the performance (2015)
  • Author(s): Huu Thien Hoang, Shinichiro Tsutsumi, Miki Hashizume, Okito Yamashita, Isao T. Tokuda, Masa-Aki Sato, Mitsuo Kawato, Masanobu Kano, Kazuo Kitamura, Keisuke Toyama
  • Organizer: 第３８回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] Rational design of a novel high-affinity, ultrafast, red calcium indicator R-CaMP2 (2015)
  • Author(s): Masatoshi Inoue, Atsuya Takeuchi, Shin-Ichiro Horigane, Masamichi Ohkura, Keiko Gengyo-Ando, Hajime Fujii, Satoshi Kamijo, Sayaka Takemoto-Kimura, Masanobu Kano, Junichi Nakai, Kazuo Kitamura, Haruhiko Bito
  • Organizer: 第３８回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31