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

2015 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): 安藤 恵子 埼玉大学, 理工学研究科, 特任教授 (40221741) ; 中井 淳一 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (80237198)
• 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。27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継続した。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に関する検討を進めた。一方、研究代表者らが以前に開発した緑色Ca2+プローブG-CaMP7をさらに高感度化させたプローブであるG-CaMP7aを用いて、ゼブラフィッシュ脳の単一神経細胞レベルで細胞活動が学習と相関して上昇することを見出した。

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の行動解析、細胞活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

当該年度までの研究進捗状況から次年度以降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] Calcium imaging reveals glial involvement in transcranial direct current stimulation-induced plasticity in mouse brain. (2016)
  • Author(s): Monai H, Ohkura M, Tanaka M, Oe Y, Konno A, Hirai H, Mikoshiba K, Itohara S, Nakai J, Iwai Y, Hirase H
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 7:11100 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1038/ncomms11100
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] JSAP1/JIP3 and JLP regulate kinesin-1-dependent axonal transport to prevent neuronal degeneration. (2015)
  • Author(s): Sato T, Ishikawa M, Mochizuki M, Ohta M, Ohkura M, Nakai J, Takamatsu N, Yoshioka K
  • Journal Title: Cell Death and Differentiation Volume: 22(8) Pages: 1260-1274
  • DOI: 10.1038/cdd.2014.207
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A top-down cortical circuit for accurate sensory perception. (2015)
  • Author(s): Manita S*, Suzuki T*, Homma C, Matsumoto T, Odagawa M, Yamada K, Ota K, Matsubara C, Inutsuka A, Sato M, Ohkura M, Yamanaka A, Yanagawa Y, Nakai J, Hayashi Y, Larkum ME, Murayama M
  • Journal Title: Neuron Volume: 86(5) Pages: 1304-1316
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2015.05.006
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Generation and imaging of transgenic mice that express G-CaMP7 under a tetracycline response element. (2015)
  • Author(s): Sato M, Kawano M, Ohkura M, Gengyo-Ando K, Nakai J, Hayashi Y
  • Journal Title: PLoS One Volume: 10(5):e0125354 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0125354
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparison of genetically encoded calcium indicators for monitoring action potentials in mammalian brain by two-photon excitation fluorescence microscopy. (2015)
  • Author(s): Podor B, Hu Y, Ohkura M, Nakai J, Croll R, Fine A
  • Journal Title: Neurophotonics Volume: 2(2):021014 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1117/1.NPh.2.2.021014
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 意識下活動動物からの特定神経活動記録法の開発. (2016)
  • Author(s): 山下哲, 犬束歩, Srikanta Chowdhury, 中井淳一, 大倉正道, 田口徹, 桑木共之, 山中章弘
  • 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] 光刺激・計測によるマウス大脳皮質層間信号統合のin vivo解析. (2016)
  • Author(s): 小泉協, 佐藤正晃, 大倉正道, 中井淳一, 林康紀, 八尾寛
  • 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] ２光子イメージング法での神経発火活動の検出に適した蛍光カルシウムプローブ蛋白質の比較検討. (2016)
  • Author(s): 大倉正道, Borbala Podor, Yi-ling Hu, Roger Croll, Alan Fine, 中井淳一
  • Organizer: 第89回日本薬理学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜 （神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-03-09 – 2016-03-11
• [Presentation] タンパク質型Ca2+インジケーターCEPIAを用いた細胞小器官Ca2+シグナルの可視化と機能解析. (2016)
  • 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89回日本薬理学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜 （神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-03-09 – 2016-03-11
• [Presentation] 生体内光刺激・計測によるマウス大脳皮質層間信号統合の可視化. (2015)
  • Author(s): 小泉協, 佐藤正晃, 中井淳一, 大倉正道, 林康紀, 八尾寛
  • Organizer: 生理研研究会「シナプス・神経ネットワークの機能ダイナミクス」
  • Place of Presentation: 生理学研究所 （愛知県岡崎市）
  • Year and Date: 2015-12-02 – 2015-12-03
• [Presentation] G-CaMP7発現マウス大脳皮質脳細胞活動の細胞-領野スケール長期イメージング実験解析法. (2015)
  • Author(s): 茂木優貴, 安藤恵子, 沖篤志, 岩井陽一, 毛内拡, 平瀬肇, 大倉正道, 中井淳一
  • Organizer: 第38回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場 （兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-04
• [Presentation] Rational design of ultrafast, high-affinity calcium indicators for monitoring neuronal activity. (2015)
  • Author(s): Masatoshi Inoue, Atsuya Takeuchi, Shin-ichiro Horigane, Hajime Fujii, Satoshi Kamijo, Sayaka Takemoto-Kimura, Masamichi Ohkura, Keiko Gengyo-Ando, Masanobu Kano, Junichi Nakai, Kazuo Kitamura, and Haruhiko Bito
  • Organizer: Neuroscience 2015
  • Place of Presentation: McCormick Place （Chicago, USA）
  • Year and Date: 2015-10-17 – 2015-10-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 生細胞イメージングに向けた抗CD3抗体結合CdSe/ZnS 量子ドットのエンドサイトーシスの検討. (2015)
  • Author(s): 宇高光, 福田武司, 鈴木美穂, 大倉正道, 中井淳一, 鎌田憲彦
  • Organizer: 第24回日本バイオイメージング学会学術集会
  • Place of Presentation: 東京理科大学葛飾キャンパス （東京都葛飾区）
  • Year and Date: 2015-09-26 – 2015-09-28
• [Presentation] Slow frequency modulation of hippocampal theta oscillations as a carrier for encoding in a spatial-cued running task in rodents. (2015)
  • Author(s): Daniel Gomez-Dominguez, Kotaro Mizuta, François Laurent, Masaaki Sato, Takashi Takekawa, Masamichi Ohkura Junichi Nakai, Tomoki Fukai, Yasunori Hayashi, Liset Menendez de la Prida
  • Organizer: 16th National Congress of the Spanish Society of Neuroscience
  • Place of Presentation: Palacio de Congresos de Granada （Granada, Spain）
  • Year and Date: 2015-09-23 – 2015-09-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rational design of a novel high-affinity, ultrafast, red calcium indicator R-CaMP2. (2015)
  • Author(s): Masatoshi Inoue, Atsuya Takeuchi, Shin-ichiro Horigane, Hajime Fujii, Satoshi Kamijo, Sayaka Takemoto-Kimura, Masamichi Ohkura, Keiko Gengyo-Ando, Masanobu Kano, Junichi Nakai, Kazuo Kitamura, Haruhiko Bito
  • Organizer: 第58回日本神経化学大会
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティ （埼玉県さいたま市）
  • Year and Date: 2015-09-11 – 2015-09-13
• [Presentation] Cortical top-down inputs for precise sensory perception in mice. (2015)
  • Author(s): Manita S, Suzuki T, Homma C, Matsumoto T, Odagawa M, Yamada K, Ota K, Matsubara C, Inutsuka A, Sato M, Ohkura M, Yamanaka A, Yanagawa Y, Nakai J, Hayashi Y, Larkum ME, Murayama M
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会シンポジウム
  • 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] Roles of zebrafish cerebellar neural circuitry in classical fear conditioning. (2015)
  • Author(s): Matsuda K, Yoshida M, Asakawa K, Ohkura M, Nakai J, Kawakami K, Hibi M, Shimizu T
  • 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): Inoue M, Takeuchi A, Horigane S, Ohkura M, Gengyo-Ando K, Fujii H, Kamijo S, Takemoto-Kimura S, Kano M, Nakai J, Kitamura K, Bito H
  • 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] Selective representation of a valued place in hippocampal CA1. (2015)
  • Author(s): Mizuta K, Sato M, Sekine Y, Kawano M, Tanvir I, Masumoto T, Ohkura M, Nakai J, Hayashi Y
  • 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] Real-time visualization of neuronal activity in zebrafish and C. elegans. (2015)
  • Author(s): Nakai J, Ohkura M, Kagawa-Nagamura Y, Muto A, Inoue M, Bito H, Kawakami K, Gengyo-Ando K
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会シンポジウム
  • 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] Structual and physiological analysis of neural circuit for swimming locomotion of the larva of Ciona intestinalis. (2015)
  • Author(s): Takeo Horie, Masamichi Ohkura, Yasunori Sasakura, Takehiro G. Kusakabe, Junichi Nakai, Michael S. Levine, Masashi Nakagawa
  • Organizer: 8th International Tunicate Meeting
  • Place of Presentation: リンクスステーションホール青森 （青森県青森市）
  • Year and Date: 2015-07-13 – 2015-07-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] G-CaMP7を大脳皮質に発現するマウスを用いた神経活動のミクロマクロ解析法. (2015)
  • Author(s): 茂木優貴, 安藤恵子, 沖篤志, 岩井陽一, 毛内拡, 平瀬肇, 大倉正道, 中井淳一
  • Organizer: 第132回日本薬理学会関東部会
  • Place of Presentation: 明海大学浦安キャンパス （千葉県浦安市）
  • Year and Date: 2015-07-04 – 2015-07-04
• [Presentation] Imaging intraorganellar Ca2+ at subcellular resolution using CEPIA. (2015)
  • Author(s): Suzuki J, Kanemaru K, Ishii K, Ohkura M, Okubo Y, Iino M
  • Organizer: New Biological Frontiers Illuminated by Molecular Sensors and Actuators
  • Place of Presentation: GIS Convention Center at National Taiwan University （Taipei, Taiwan）
  • Year and Date: 2015-06-28 – 2015-07-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] G-CaMP開発の現状とイメージング技術への応用. (2015)
  • Author(s): 大倉正道, 中井淳一
  • Organizer: 新学術領域研究「マイクロ精神病態」公募研究キックオフミーティング
  • Place of Presentation: 東京農業大学世田谷キャンパス （東京都世田谷区）
  • Year and Date: 2015-06-11 – 2015-06-11
  • Invited
• [Book] Optogenetic manipulation and probing. 『Optogenetics: light-sensing proteins and their applications』Part 2, Chapter 9 (2015)
  • Author(s): Ohkura M, Sadakari J, Nakai J
  • Total Pages: 409 （133-148）
  • Publisher: Springer
• [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/