Study of cerebral synapses and circuits using two-photon microscopy and novel optoprobes

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26221001
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 河西 春郎 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (60224375)
• Project Period (FY): 2014-05-30 – 2019-03-31
• Keywords: 記憶 / シナプス / ２光子顕微鏡 / 光プローブ

Outline of Annual Research Achievements

昨年度は運動記憶に関係したシナプスを標識し、光照射によりそのシナプスだけでなく、行動レベルの記憶を消去することに成功したが(Nature 2015)、このプローブを学習記憶現象により強力に自由に応用するためには、幾つかの改良を施す必要がある。まず、単一細胞での記憶シナプスの同定を確実にするために背景染色を減らす方法を見出し、また、神経細胞の十分に疎な標識により単一の神経細胞形態を間違いなく可視化する必要があった。これらの問題に対してはそれぞれ解決する手法がわかってきた。更に、記憶回路の標識のためにはシナプス前部や軸索の記憶依存的な標識ができることが望まれていた。これは容易なことではないが、我々は偶然その様な標識を達成する手法を見出したので、その検証作業を進めている。回路標識のために必要な複数の蛋白質を選定することにも成功した。覚醒動物の学習過程のイメージングに際しては、領野と刺激を選べば、高率にスパイン増大現象が起きるので調査可能であることがわかってきた。ただし、シナプスの前部と後部の両方にカルシウム指示蛋白を発現させ、学習刺激の開始を記録する必要があるので、回路標識の方法論の開発を待つ必要がある。スパイン増大に伴い、シナプス前部が押されることにより、シナプス前部の機能が変わることの確認作業を進めてきたが、複数の方法でこれを確認し、結論は確実な情勢となってきたが、論文発表までにデータの質や量を上げていく作業を進めた。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

新しい手法の開拓を目的とした課題で、リスクを負った挑戦的な研究計画であったが、多数の試行錯誤から見出された偶然、及び共同研究者の努力により、実績の概要に記した様に予想もしなかった新しい展望に立つに至っている。

Strategy for Future Research Activity

これまでの発見を有効に利用しながら、目標とする①記憶プローブの改善、②記憶回路の可視化、③学習過程のイメージング、④スパイン頭部増大のプレシナプスへの影響の検証という目標を有効に達成できる様に、あらゆる工夫をしていく。

Research Products

• [Journal Article] Abnormal intrinsic dynamics of dendritic spines in a fragile X syndrome mouse model in vivo. (2016)
  • Author(s): Nagaoka, A., Takehara, A., Hayashi-Takagi, A., Shirai, F., Ishii, K., Noguchi, J., Ichiki, K. & Kasai, H.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Pages: 26651
  • DOI: 10.1038/srep26651
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Implantable microfluidic device with hydrogel permeable membrane for delivering chemical compounds and imaging neural cells in living mice. (2016)
  • Author(s): Takehara, H., Nagaoka, A., Noguchi, J., Akagi, T., Kasai, H. & Ichiki, T.
  • Journal Title: Journal of Photopolymer Science and Technology Volume: 29 Pages: 513-518
  • DOI: 10.2494/photopolymer.29.513
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design and synthesis of a 4-nitrobromobenzene derivative bearing an ethylene glycol tetraacetic acid unit for a new generation of caged calcium compounds with two-photon absorption properties in the near-IR region and their application in vivo. (2016)
  • Author(s): Jakkampudi, S., Abe, M.*, Komori, N., Takagi, R., Furukawa, K., Katan, C., Sawada, W., Takahashi, N. & Kasai, H.
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 1 Pages: 193-201
  • DOI: 10.1021/acsomega.6b00119
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] State-dependent diffusion of actin-depolymerizing factor/cofilin underlies the enlargement and shrinkage of dendritic spines. (2016)
  • Author(s): Noguchi, J., Hayama, T., Watanabe, S., Ucar, H., Yagishita, S., Takahashi, N. & Kasai, H.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Pages: 32897
  • DOI: 10.1038/srep32897
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] The opposite roles of SNAP23 in the exocrine and endocrine pancreas. (2016)
  • Author(s): Kunii, M., Ohara-Imaizumi, M., Takahashi, N., Kobayashi, M., Kawakami, R., Kondoh, Y., Shimizu, T., Simizu, S., Lin, B., Nunomura, K., Aoyagi, K., Ohno, M., Ohmuraya, M., Sato, T., Yoshimura, S., Sato, K., Harada, R., Kim, Y., Osada, H., Nemoto, T., Kasai, H., Kitamura, T., Nagamatsu, S., & Harada, A.
  • Journal Title: J. Cell Biol. Volume: 215 Pages: 121-138
  • DOI: 10.1083/jcb.201604030
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 2光子励起蛍光寿命画像法で解析した開口放出部位におけるSNAP25の分子構造、第94回日本生理学会 (2017)
  • Author(s): 高橋、渡辺、澤田、河西
  • Organizer: 第94回日本生理学会
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松（静岡県浜松市）
  • Year and Date: 2017-03-24 – 2017-03-24
• [Presentation] Spine synapses shaping memory and behavior, Lecture, Nanyang Technical University (2016)
  • Author(s): Haruo Kasai
  • Organizer: Lecture, Nanyang Technical University
  • Place of Presentation: Nanyang Drive, Singapore
  • Year and Date: 2016-12-08 – 2016-12-08
  • Invited
• [Presentation] Dendritic spines shaping memory and behaviors (2016)
  • Author(s): Haruo Kasai
  • Organizer: Special Lecture, Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: San Diego, CA, USA
  • Year and Date: 2016-11-13 – 2016-11-13
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Plasticity and fluctuations of dendritic spines in mice models of autism and schizophrenia. (2016)
  • Author(s): Haruo Kasai
  • Organizer: Symposium in JNS meeting 2016
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-07-20 – 2016-07-20
  • Invited
• [Presentation] Rapid regulations of spine plasticity by dopamine in the D1 and D2 projection neurons in the nucleus accumbens. Cold Spring Harbor Asia Conference (2016)
  • Author(s): Haruo Kasai, Sho Yagishita, Yusuke Iino, Yosuke Nakazato, Yoshitomo Maeda
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia Conference
  • Place of Presentation: Suzhou, China
  • Year and Date: 2016-05-19 – 2016-05-19
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 河西研究室ホームページ
  • URL: http://www.bm2.m.u-tokyo.ac.jp