高感度カルシウムプローブを用いた習慣学習の神経回路メカニズムの研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26282217
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 大倉 正道 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (70369172)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中井 淳一 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (80237198) ; 安藤 恵子 埼玉大学, 理工学研究科, 特任教授 (40221741)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 神経科学 / ゼブラフィッシュ / 捕食行動 / 習慣学習 / 神経回路

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ゼブラフィッシュを用いて、餌（ゾウリムシ）の捕食行動の獲得（習慣学習）に至る細胞レベルでの神経回路メカニズムの解明を行う。習慣学習には大脳皮質―基底核神経回路が関与することが哺乳類を用いた研究により明らかにされたが、細胞レベルでの学習機構にはまだ不明な点が多い。我々は単一シナプス活動を検出できる高感度な蛍光Ca2+プローブG-CaMPを開発し、これまでにゼブラフィッシュ稚魚の神経活動をin vivoで可視化することに成功している。本研究はこれを発展させ、ゼブラフィッシュが捕食行動を獲得する過程での神経活動を可視化により解析し、習慣学習の神経回路メカニズムを細胞レベルで解明することを目的としている。26年度は、習慣学習に至る細胞レベルでの神経回路機能を光計測・光操作できるようにする目的で、G-CaMP等を発現する各種ゼブラフィッシュトランスジェニック体の作成を進めた。次に、ゼブラフィッシュ稚魚に視覚提示を行い、ゼブラフィッシュ稚魚が提示物体に対して視線を移動させる行動を解析した。さらに、視覚提示の経験回数の増加に伴うゼブラフィッシュ稚魚の行動の上達を検討した。一方、研究代表者らが以前に開発した高感度な緑色Ca2+プローブであるG-CaMP7を用いて、脳の単一神経細胞の活動を報酬と関連付けることにより、動物が自発的にその単一神経細胞の活動を増大させることができることを示した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

G-CaMP等を発現する各種ゼブラフィッシュトランスジェニック体の作成やゼブラフィッシュ稚魚の行動解析がおおむね順調に進んでいるため。

Strategy for Future Research Activity

今後も継続して神経回路機能を光計測・光操作できるトランスジェニック体を作成し、捕食行動の獲得（習慣学習）に至る過程での神経活動を解析し、習慣学習の神経回路メカニズムを細胞レベルで解明していく。

Causes of Carryover

当初購入を予定していた対物ピエゾが当該年度は研究機関内で利用できる状況となったことからその購入を保留したため、また、これまでの予算執行状況から次年度にはさらに多くの消耗品費が必要になると判断したため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

主として、行動実験、光学測定、光遺伝学、破壊・薬剤実験、分子遺伝学で必要となる消耗品費に充てることを計画している。

Research Products

• [Journal Article] Rational design of a high-affinity, fast, red calcium indicator R-CaMP2. (2015)
  • Author(s): Inoue M, Takeuchi A, Horigane SI, Ohkura M, Gengyo-Ando K, Fujii H, Kamijo S, Takemoto-Kimura S, Kano M, *Nakai J, *Kitamura K, *Bito H
  • Journal Title: Nature Methods Volume: 12 Pages: 64-70
  • DOI: 10.1038/nmeth.3185
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Water-soluble jack-knife prawn extract inhibits 5-hydroxytryptamine-induced vasoconstriction and platelet aggregation in humans. (2015)
  • Author(s): Gamoh S, Kanai T, Tanaka-Totoribe N, Ohkura M, Kuwabara M, Nakamura E, Yokota A, Yamasaki T, Watanabe A, Hayashi M, Fujimoto S, *Yamamoto R
  • Journal Title: Food Funct Volume: 6 Pages: 444-449
  • DOI: 10.1039/C4FO00716F
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reward-timing-dependent bidirectional modulation of cortical microcircuits during optical single-neuron operant conditioning. (2014)
  • Author(s): Hira R, Ohkubo F, Masamizu Y, Ohkura M, Nakai J, Okada T, *Matsuzaki M
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 5:5551 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1038/ncomms6551
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Imaging intraorganellar Ca2+ at subcellular resolution using CEPIA. (2014)
  • Author(s): Suzuki J, Kanemaru K, Ishii K, Ohkura M, Okubo Y, *Iino M
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 5:4153 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1038/ncomms6551
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 高感度、超高速赤色カルシウムインディケーターの合理的設計による開発. (2015)
  • Author(s): 井上昌俊, 竹内敦也, 堀金慎一郎, 大倉正道, 安藤恵子, 藤井哉, 上條諭志, 竹本-木村さやか, 狩野方伸, 中井淳一, 喜多村和郎, 尾藤晴彦
  • Organizer: 第92回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [Presentation] マウス皮質において正確な知覚に必要なトップダウン制御のメカニズム. (2015)
  • Author(s): 真仁田聡, 鈴木崇之, 本間千尋, 松元崇, 小田川摩耶, 山田一之, 太田桂輔, 松原智恵, 犬束歩, 佐藤正晃, 大倉正道, 山中章弘, 柳川右千夫, 中井淳一, 林康紀, Matthew E. Larkum, 村山正宜
  • Organizer: 第92回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [Presentation] 海馬CA1における価値表現の選択的保持. (2015)
  • Author(s): 水田恒太郎, 佐藤正晃, 関根友紀子, 河野真子, イスラムタンビル, 大倉正道, 中井淳一, 林康紀
  • Organizer: 第92回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [Presentation] 高感度、超高速赤色カルシウムインディケーターの合理的設計による開発. (2015)
  • Author(s): 井上昌俊, 竹内敦也, 堀金慎一郎, 大倉正道, 安藤恵子, 藤井哉, 上條諭志, 竹本-木村さやか, 狩野方伸, 中井淳一, 喜多村和郎, 尾藤晴彦
  • Organizer: 第88回日本薬理学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2015-03-18 – 2015-03-20
• [Presentation] タンパク質型Ca2+インジケーターCEPIAを用いた小胞体・ミトコンドリア内腔Ca2+動態の可視化と機能解析. (2015)
  • Author(s): 鈴木純二, 金丸和典, 石井邦明, 大倉正道, 大久保洋平, 飯野正光
  • Organizer: 第88回日本薬理学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2015-03-18 – 2015-03-20
• [Presentation] 蛍光カルシウムタンパクG-CaMPによるin vivoカルシウムイメージング. (2014)
  • Author(s): 中井淳一, 大倉正道, 安藤恵子
  • Organizer: 東京理科大学総合研究機構イメージングフロンティア研究部門 2014年度シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京理科大学野田キャンパス（千葉県野田市）
  • Year and Date: 2014-12-20 – 2014-12-20
  • Invited
• [Presentation] 個体（線虫）レベルでの超多並列刺激応答モニターシステム (2014)
  • Author(s): 藤泰一, 高橋尚也, 安藤恵子, 大倉正道, 中井淳一, 西垣功一
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-27
• [Presentation] Imaging deep-layer neuronal activity in mouse barrel cortex using 1040-nm excitation of a red fluorescent-protein calcium indicator. (2014)
  • Author(s): Carta S, Chen J, Voigt F, Schneider B, Ohkura M, Nakai J, Helmchen F
  • Organizer: Neuroscience 2014
  • Place of Presentation: Walter E. Washington Convention Center（Washington DC, USA）
  • Year and Date: 2014-11-15 – 2014-11-19
• [Presentation] A comparative study of the two-photon performance of GCaMPs and GECOs. (2014)
  • Author(s): Podor B, Zhao Y, Wu J, Hu Y, Ohkura M, Nakai J, Campbell R, Croll R, Fine A
  • Organizer: Neuroscience 2014
  • Place of Presentation: Walter E. Washington Convention Center（Washington DC, USA）
  • Year and Date: 2014-11-15 – 2014-11-19
• [Presentation] 神経細胞内局所カルシウム動態の可視化を目指した高感度シナプスカルシウムプローブG-CaMP6-actinの応用. (2014)
  • Author(s): 大倉正道, 小林千晃, 貞苅純子, 佐々木拓哉, 池谷裕二, 中井淳一
  • Organizer: 第87回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館（京都府京都市）
  • Year and Date: 2014-10-15 – 2014-10-18
• [Presentation] Visualization of cerebral calcium dynamics by a transgenic mouse that express G-CaMP7 in neurons and glia. (2014)
  • Author(s): Monai H, Ohkura M, Tanaka M, Itohara S, Nakai J, Iwai Y, Hirase H
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] Single-neuron operant conditioning by two-photon imaging induces reward-timing-dependent modulation in cortical microcircuit. (2014)
  • Author(s): Hira R, Ohkubo F, Masamizu Y, Ohkura M, Nakai J, Okada T, Matsuzaki M
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] 大脳皮質におけるトップダウン回路の構造と機能. (2014)
  • Author(s): 真仁田聡, 鈴木崇之, 本間千尋, 松元崇, 小田川摩耶, 山田一之, 太田桂輔, 松原智恵, 犬束歩, 佐藤正晃, 大倉正道, 山中章弘, 柳川右千夫, 中井淳一, 林康紀, Matthew E. Larkum, 村山正宜
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] ホヤ幼生の遊泳運動神経回路の構造と生理機能の解析. (2014)
  • Author(s): 堀江健生, 大倉正道, 日下部岳広, 中井淳一, 中川将司
  • Organizer: 日本動物学会第85回大会
  • Place of Presentation: 東北大学川内北キャンパス（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] 細胞触覚センサのための小型蛍光観察システムの開発. (2014)
  • Author(s): 民山浩輔, 清水正宏, 宮坂恒太, 小椋利彦, 中井淳一, 大倉正道, 細田耕
  • Organizer: 第32回日本ロボット学会学術講演会
  • Place of Presentation: 九州産業大学（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2014-09-04 – 2014-09-06
• [Presentation] Ca2+イメージング. (2014)
  • Author(s): 大倉正道
  • Organizer: 第39回組織細胞化学講習会
  • Place of Presentation: ピアザ淡海（滋賀県大津市）
  • Year and Date: 2014-08-06 – 2014-08-08
  • Invited
• [Presentation] Cerebral blood flow modulation by basal forebrain or whisker stimulation can occur independently of large cytosolic Ca2+ signaling in astrocytes. (2014)
  • Author(s): Oe Y, Ozawa K, Takata N, Nagai T, Konno A, Ohkura M, Hirai H, Nakai J, Mikoshiba K, Hirase H
  • Organizer: 9th FENS Forum of Neuroscience
  • Place of Presentation: MiCo （Milan, Italy）
  • Year and Date: 2014-07-05 – 2014-07-09
• [Presentation] Single-neuron operant conditioning by two-photon imaging induces reward-timing-dependent biderectional modulations in cortical microcircuit. (2014)
  • Author(s): Hira R, Ohkubo F, Masamizu Y, Ohkura M, Nakai J, Okada T, Matsuzaki M
  • Organizer: 9th FENS Forum of Neuroscience
  • Place of Presentation: MiCo （Milan, Italy）
  • Year and Date: 2014-07-05 – 2014-07-09
• [Presentation] Imaging subcellular Ca2+ dynamics of neurons with a highly responsive genetically encoded Ca2+ indicator. (2014)
  • Author(s): Ohkura M, Kobayashi C, Sadakari J, Sasaki T, Ikegaya Y, Nakai J
  • Organizer: 9th FENS Forum of Neuroscience
  • Place of Presentation: MiCo （Milan, Italy）
  • Year and Date: 2014-07-05 – 2014-07-09
• [Book] 高感度Ca2+プローブG-CaMPを用いた脳内シナプス活動のイメージング.『脳内環境-恒常性維持機構の破綻と病気』 (2014)
  • Author(s): 大倉正道, 中井淳一
  • Total Pages: 220（108-113）
  • Publisher: （株）メディカルドゥ
• [Book] Ca2+イメージング.『組織細胞化学2014』 (2014)
  • Author(s): 大倉正道, 中井淳一
  • Total Pages: 230（161-168）
  • Publisher: 日本組織細胞化学会
• [Remarks] 埼玉大学 研究機構 脳末梢科学研究センター
  • URL: http://subsi.saitama-u.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] カルシウム指示遺伝子 (2014)
  • Inventor(s): 尾藤晴彦, 井上昌俊, 竹内敦也, 中井淳一, 大倉正道
  • Industrial Property Rights Holder: 独立行政法人科学技術振興機構
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2014-120828
  • Filing Date: 2014-06-11