イメージングによる神経回路動態とその障害の特徴抽出

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26250014
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 岡部 繁男 東京大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (60204012)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: シナプス / イメージング / 超解像顕微鏡 / 自閉症モデル動物

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではシナプス動態を個体レベルで可視化し、大脳皮質錐体細胞に形成される興奮性・抑制性シナプスについて、動態、分子組成、形態の関連性を明らかにする。発達時期に応じたシナプス動態の制御の役割を知るため、大脳皮質の発達に依存して、分子発現とシナプスへの分子集積がどのように変化するのかを解析する。また精神神経疾患の病態について精神神経疾患の病態モデル動物を活用したイメージング実験により検討する。平成27年度にはまず個体レベルでのシナプスの二光子顕微鏡による観察と電子顕微鏡や連続切片立体再構築法を組み合わせた実験を行うための条件検討を継続した。次に生後初期の大脳皮質や海馬においてシナプス密度が急激に増加し、その後なだらかな減少傾向へと向かう変化が生後の遅い時期に発現する分子により特異的に制御される可能性について検討した。発達後期に発現上昇を示す典型的な分子としてはCaMKIIαが知られているため、この分子のキナーゼ活性とシナプスの密度上昇の間の関連性を検討し、CaMKIIαのキナーゼ活性が失われると発達期のシナプス形成が過剰となることが明らかになった。このデータは回路成熟に伴ってCaMKIIαが増加することで活発なシナプス形成の終結が引き起こされる可能性を示唆した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究はシナプス動態を先端的なイメージング技術を活用して解明することを目標としており、その目標を達成するために、生後発達早期のシナプス動態の変化の生理的な意義を探索し、また発達過程でのシナプスへの分子集積の時間的な変化の解析を行う事を目標としている。またこれらのデータを活用し、シナプスの障害により発症すると考えられている、ASDを中心とする発達障害の病態についても解析する。現在までの研究で、コントロールのマウスと3種類の自閉症モデルマウスについて生後早期のシナプス動態を測定する実験を行い、共通のシナプスレベルでの表現型として、シナプス形成と除去の両方が亢進していることを見出した。また大脳皮質内の投射線維を受けるスパインと視床からの投射を受けるスパインを区別してその動態を測定する手法を開発し、これらの二種類のスパインの動態が全く異なる事、疾患モデルでの障害のされ方も異なる事を見出した。現在は特に生後発達早期にシナプス密度が急激な増加からゆるやかな減少傾向へと変化する際に鍵となる分子の同定を行い、CaMKIIαが成熟期のシナプス可塑性のみならずシナプス密度の抑制作用も併せ持つことを発見した。このような成果が得られつつあることから、現在までの研究の達成度は十分なものであると考える。

Strategy for Future Research Activity

今後はさらに生後発達期のシナプス動態の制御機構を解明するために以下の実験を行う。
（１）大脳皮質および海馬におけるスパインシナプスの発達制御機構
大脳皮質および海馬におけるスパインシナプスの形成は、生後3週目までの急激な密度増加の時期とその後の緩徐な減少傾向の二つの時期に明確に区分される。このような動態のスイッチが起こる理由については未だ不明の点が多いが、前年度の研究によりCaMKIIαのキナーゼ活性がこのスパインシナプスの制御に関連している事が示された。リン酸化酵素の活性化の下流でどのようなシグナル機構が関与するのかについて本年度は検討を行う。
（２）二光子顕微鏡によるin vivo imagingを用いたシナプス形成・成熟過程の解析
前項で述べたシナプス動態の変化を発達依存的に制御する機構としては、CaMKIIα以外にもシナプス局所で分泌される分子が局所的にその安定性を制御している可能性がある。軸索から放出されるシナプス形成を負に制御する分子を我々は同定し、その発現を操作した結果としてin vivo imagingにおいてシナプスの密度や動態が大きく変化することを確認している。本年度はこのシナプス局所の分泌性因子の作用機構について更に追求する予定である。

Research Products

• [Journal Article] High affinity receptor labeling based on basic leucine zipper domain peptides conjugated with pH-sensitive fluorescent dye: visualization of AMPA type glutamate receptor endocytosis in living neurons. (2016)
  • Author(s): Hayashi, A., Asanuma, D., Kamiya, M., Urano, U. and S. Okabe
  • Journal Title: Neuropharmacology Volume: 100 Pages: 66-75
  • DOI: 10.1016/j.neuropharm.2015.07.026
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fast 3D visualization of endogenous brain signals with high-sensitivity laser scanning photothermal microscopy. (2016)
  • Author(s): Miyazaki, J., Tadatsune, I., Tanaka, S., Hayashi-Takagi, A.,,Kasai, H., Okabe, S., and T. Kobayashi
  • Journal Title: Biomedical Optics Express Volume: 7 Pages: 1702-1710
  • DOI: 10.1364/BOE.7.001702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temporal Changes in the response of SVZ neural stem cells to intraventricular administration of growth factors. (2016)
  • Author(s): Ochi, T., Nakatomi, H., Ito, A., Okabe, S. and N. Saito.
  • Journal Title: Brain Research Volume: 1636 Pages: 118-129
  • DOI: doi: 10.1016/j.brainres.2016.01.046.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Neuroprotection by JM-1232(-) against oxygen-glucose deprivation-induced injury in rat hippocampal slice culture. (2015)
  • Author(s): Ogura, T., Hamada, T., Matsui, T., Tanaka, S., Okabe, S., Kazama, T., and Y. Kobayashi
  • Journal Title: Brain Research Volume: 1594 Pages: 52-60
  • DOI: 10.1038/ncomms5742.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Upregulation of HP1γ expression during neuronal maturation promotes axonal and dendritic development in mouse embryonic neocortex. (2015)
  • Author(s): Oshiro, H., Hirabayashi, Y., Koretune, H., Nakao, K., Aizawa, S., Okabe, S. and Y. Gotoh
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 20 Pages: 108-120
  • DOI: 10.1111/gtc.12205.
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fluorescent ratiometric pH indicator SypHer2: applications in neuroscience and regenerative biology. (2015)
  • Author(s): Matlashov M. V., Bogdanova Y. A., Mishina N. M., Ermakova Y. G., Nikitin E. S., Balaban P. M., Okabe S., Lukyanov S., Enikolopov G., Zaraisky A. G., and Belousov VV.
  • Journal Title: BBA-General Subjects Volume: 1850 Pages: 2318-2328
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2015.08.002.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Imaging technologies for the understanding of synapse development and dysfunction. (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: US-Japan Brain Workshop
  • Place of Presentation: AMED本部 (東京都千代田区）
  • Year and Date: 2016-03-30 – 2016-03-30
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Analysis of spine structure and stability by two-photon in vivo imaging (2016)
  • Author(s): 田中 慎二、岡部 繁男
  • Organizer: 第121回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Place of Presentation: ビックパレット福島（福島県郡山市）
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-30
• [Presentation] Raster image correlation spectroscopy inside dendritic spines of cultured hippocampal neuron (2016)
  • Author(s): 小橋 一喜、岡部 繁男
  • Organizer: 第121回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Place of Presentation: ビックパレット福島（福島県郡山市）
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-30
• [Presentation] Molecular characterization of ACF7,an actin-microtubule crosslinking protein, in excitatory synapses (2016)
  • Author(s): 柏木 有太郎、岡部 繁男
  • Organizer: 第121回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Place of Presentation: ビックパレット福島（福島県郡山市）
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-30
• [Presentation] Three-dimensional immunostaining of glia in transparent brain (2016)
  • Author(s): 飯田 忠恒、田中 慎二、岡部 繁男
  • Organizer: 第121回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Place of Presentation: ビックパレット福島（福島県郡山市）
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-30
• [Presentation] Three-dimensional imaging of the whole intact cochlear by optical clearing methods (2016)
  • Author(s): 浦田 真次、飯田 忠恒、田中 慎二、藤本 千里、樫尾 明憲、松本 有、吉川 弥生、岩崎 広英、山岨 達也、岡部 繁男
  • Organizer: 第121回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Place of Presentation: ビックパレット福島（福島県郡山市）
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-30
• [Presentation] Development of techniques for correlated imaging of in vivo two-photon microscopy and electron microscopy (2016)
  • Author(s): 岩崎 広英、田中 慎二、岡部 繁男
  • Organizer: 第121回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Place of Presentation: ビックパレット福島（福島県郡山市）
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-30
• [Presentation] 脳神経回路の網羅的解析：現状とその将来について (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: 第１１回日本統合失調症学会
  • Place of Presentation: ベイシア文化ホール（群馬県前橋市）
  • Year and Date: 2016-03-25 – 2016-03-26
  • Invited
• [Presentation] Imaging synapse remodeling in vitro and in vivo. (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: IMA conference on neural imaging in neuroscience.
  • Place of Presentation: Cambridge (U.K.)
  • Year and Date: 2016-03-21 – 2016-03-23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Imaging synapse dynamics by cutting edge imaging technologies. (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: 7th APICA (Asian-Pacific International Congress of Anatomists)
  • Place of Presentation: Kent Ridge (Singapore)
  • Year and Date: 2016-03-17 – 2016-03-19
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 脳の機能理解を目指したシナプス計測技術の開発 (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: 自然科学研究機構シンポジウム「次ステージ機能生命科学の展望」
  • Place of Presentation: 岡崎カンファランスセンター（愛知県岡崎市）
  • Year and Date: 2016-03-10 – 2016-03-10
  • Invited
• [Presentation] In vivo imaging of synapse dynamics applied to psychiatric disorders. (2015)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: Symposium “Advanced molecular imaging of synapses in health and disease”, Neuroscience 2015
  • Place of Presentation: Chicago (U.S.A.)
  • Year and Date: 2015-10-17 – 2015-10-21
• [Presentation] Imaging synapse dynamics in vivo; its application in the analysis of neurodevelopmental disorders. (2015)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: 25th Neuropharmacology Conference 2015, “Synaptopathy – From biology to therapy”
  • Place of Presentation: Chicago (U.S.A.)
  • Year and Date: 2015-10-15 – 2015-10-16
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 興奮性シナプスの発達過程におけるACF7の分子イメージング (2015)
  • Author(s): 柏木 有太郎、岡部 繁男
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] マウス大脳皮質におけるスパイン安定性の解析 (2015)
  • Author(s): 田中 慎二、岩崎 広英、岡部 繁男
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] シナプス形成・維持過程におけるBMP4の役割 (2015)
  • Author(s): 東 誉人、田中 慎二、大城 洋明、岡部 繁男
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] 広範囲の光学再構築法を用いたミクログリアとシナプスの3次元解析 (2015)
  • Author(s): 飯田 忠恒、田中 慎二、岩崎 広英、市川 和典、岡部 繁男
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] Imaging mircoglia and synapses with an optical clearing tehcnique (2015)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: XII European meeting on glial cells in health and disease
  • Place of Presentation: Bilbao (Spain)
  • Year and Date: 2015-07-15 – 2015-07-18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Imaging microglia and synapses with an optical clearing technique. (2015)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: “Novel insights into glia function & dysfunction” Cold Spring Harbor Conferences Asia
  • Place of Presentation: Suzhou (China)
  • Year and Date: 2015-06-22 – 2015-06-26
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Synapse development and remodeling studied by imaging technologies. (2015)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: “International Brain Projects” Cold Spring Harbor Conferences Asia
  • Place of Presentation: Suzhou (China)
  • Year and Date: 2015-06-19 – 2015-06-22
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] シナプス構造と動態のイメージング (2015)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第７１回学術講演会
  • Place of Presentation: 京都国際会館（京都府京都市）
  • Year and Date: 2015-05-13 – 2015-05-15
• [Remarks] 東京大学医学系研究科岡部研究室webページ
  • URL: http://synapse.m.u-tokyo.ac.jp/