大脳皮質カラム間及び異領野間の周期的同期化機構の解明

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26290006
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 姜 英男 大阪大学, 歯学研究科(研究院), 教授 (50177755)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 豊田 博紀 大阪大学, 歯学研究科(研究院), 准教授 (00432451) ; 齋藤 充 大阪大学, 歯学研究科(研究院), 講師 (50347770) ; 佐藤 元 大阪大学, 歯学研究科(研究院), 助教 (10432452)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: バレル野 / 島皮質 / 周期的同期化 / oscillation / 機能的カラム / GABAB受容体

Outline of Annual Research Achievements

認知、行動、情動などの高次脳機能は、異なる階層間での神経細胞群の発火活動の相関関係の度合い、即ち、コヒーレンスに依存して発現すると考えられているが、その回路メカニズムは不明であり、その解明は脳の動作原理を理解する上での中心課題である。本研究では、バレル野の神経細胞群の発火活動のカラム間での周期的同期化の回路機構、および不全顆粒島皮質と顆粒島皮質という隣接異領野皮質間の周期的同期化をもたらす回路機構の解明をおこない、高次脳機能発現の普遍的神経基盤の一端を明らかにする。ラットは複数のヒゲにより空間認知を行うことから、大脳皮質バレル野隣接カラム間で神経活動の周期的同期化が生じると考えられるが、その詳細は明らかではない。そこで、まず、カイニン酸投与により顆粒上層に引き起こされるoscillationの時空間パターンを調べ、また、そうしたoscillation下で、パッチクランプ法により同時記録した隣接カラムの錐体細胞や抑制性神経細胞のそれぞれで観察されるスパイク列間にどのような自己・相互相関が生じるかを明らかにすることを目指した。膜電位測光法による解析の結果、カイニン酸の灌流投与により、バレル野第2/3層の複数のカラムにわたって、δおよびθリズムから成るoscillationが引き起こされた。また、隣接カラムで同時記録された２つの第３層錐体細胞は、カイニン酸投与に応答して持続発火を示し、δおよびθリズムで同期発火していることが明らかとなった。こうした周期的同期化に対し、GABAB受容体チャネル阻害剤であるCGP55845を投与したところ、δ波が大きく抑制される一方、θ波がわずかに増加していた。これらの結果から、カイニン酸により誘発されるδリズムのoscillationは、グルタミン酸作動性神経の軸索末端に発現するGABAB受容体の働きによって生じる可能性が示唆された。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

カイニン酸の灌流投与により、バレル皮質において、同期化したδおよびθリズムのoscillationが引き起こされることを明らかにした。δリズムのoscillationが、CGP55845によって抑制されたことから、これらのoscillationがグルタミン酸作動性神経の軸索末端に発現するGABAB受容体の働きによって生じる可能性を明らかにすることができた。しかしながら、今年度内に周期的同期化における抑制性神経細胞の役割を明らかにすることができなかった。現時点ではVGAT-Venus遺伝子改変ラットの導入が完了し、抑制性神経細胞の役割を明らかにするための実験を開始できる状況にある。

Strategy for Future Research Activity

(1)膜電位測光法により、島皮質上の興奮伝播の時空間的パタンを定量的に解析した結果、不全顆粒島皮質味覚野から尾側の顆粒島皮質胃腸関連領域への興奮伝播の過程で、胃腸関連領域では脱分極波に先行して、feedforward inhibitionが認められたが、その抑制はCGPの潅流投与により消失した。この抑制が、どの領野のGABA細胞の働きによりもたらされているのかを明らかにするため、味覚野、或いは、胃腸関連領域の吻側や尾側のL2/3に光刺激をオシレーションのさまざまなタイミングで与え、顆粒島皮質胃腸関連領域での脱分極波の前後に見られる再分極成分がどのように修飾されるかを調べることにより、各領野での抑制性回路の働きを検証し、回路機構を明らかにする。
(2) 3週齢のVGAT-Venusラットの島皮質水平断薄切標本を作成し、三種類のパッチクランプ同時記録を行う：1) 不全顆粒島皮質味覚野のL3 PC及びGABA細胞、2) 不全顆粒島皮質味覚野および顆粒島皮質胃腸関連領域の二つのL3PC、3) 不全顆粒島皮質味覚野のGABA細胞と顆粒島皮質胃腸関連領域のL3PC。AEA投与により、両領野間に周期的同期化を持続的に引き起こし、それぞれのペアの細胞で発生するスパイク列の自己相関、相互相関解析を行う。

Causes of Carryover

次年度配分予定の基金を100万円分本年度に消耗品購入費用として前倒しし、その内約62万円分が未使用となったため、次年度使用額が生じた理由である。

Expenditure Plan for Carryover Budget

消耗品に関わる予算であるため、本来の予算以内で支障なく研究計画が遂行できるように、節約しつつ実験を行う。

Research Products

• [Journal Article] Generation of resonance-dependent oscillation by mGluR-I activation switches single spiking to bursting in mesencephalic trigeminal sensory neurons (2015)
  • Author(s): Chung G, Saito M, Kawasaki Y, Kawano T, Yin D, Lee S, Kogo M, Takada M, Bae YC, Kim JS, Oh SB, Kang Y
  • Journal Title: European Journal of Neuroscience Volume: 41(8) Pages: 998-1012
  • DOI: 10.1111/ejn.12858
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Enhanced lateral inhibition in the barrel cortex by deletion of phospholipase C-related catalytically inactive protein-1/2 in mice (2015)
  • Author(s): Toyoda, H., Saito, M., Sato, H., Kawano, T., Kawakami, S., Yatani, H., Kanematsu, T., Hirata, M. & Kang, Y.
  • Journal Title: Pflugers Archiv; European Journal of Physiology Volume: in press Pages: -
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhanced desensitization followed by unusual resensitization in GABA(A) receptors in phospholipase C-related catalytically inactive protein-1/2 double-knockout mice (2015)
  • Author(s): Toyoda, H., Saito, M., Sato, H., Tanaka, T., Yatani, H., Kawano, T., Kanematsu, T., Hirata, M. & Kang, Y.
  • Journal Title: Pflugers Archiv; European Journal of Physiology Volume: 467 Pages: 267-284
  • DOI: 10.1007/s00424-014-1511-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Teeth clenching reduces arm abduction force (2014)
  • Author(s): Sato, H., Kawano, T., Saito, M., Toyoda, H., Maeda, Y., Turker, KS. & Kang, Y.
  • Journal Title: Experimental Brain Research Volume: 232 Pages: 2281-2291
  • DOI: 10.1007/s00221-014-3919-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 摂食行動に関与する島皮質神経活動の周期的同期化 (2015)
  • Author(s): 姜英男 他
  • Organizer: 第92回日本生理学会大会・第120回日本解剖学会総会全国学術集会合同大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（神戸）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-21
• [Presentation] ラットバレル皮質におけるカイニン酸誘発性オシレーション (2015)
  • Author(s): 豊田博紀 他
  • Organizer: 第92回日本生理学会大会・第120回日本解剖学会総会全国学術集会合同大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（神戸）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-21
• [Presentation] Enhanced CICR and SOCE in layer 3 pyramidal cells in the barrel cortex of PRIP-DKO mice (2014)
  • Author(s): Kawano, T. et al.
  • Organizer: The 44th Annual Meeting of the Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: The Walter E. Washington Convention Center (Washington, USA)
  • Year and Date: 2014-11-19 – 2014-11-19
• [Presentation] Enhancement of I(NaP)-mediated resonance by mGluR-I activation induces burst firing in mesencephalic trigeminal sensory neurons (2014)
  • Author(s): Kang, Y. et al.
  • Organizer: The 44th Annual Meeting of the Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: The Walter E. Washington Convention Center (Washington, USA)
  • Year and Date: 2014-11-18 – 2014-11-18
• [Presentation] Enhancement of lateral inhibition in the mouse barrel cortex by deletion of phospholipase C-related catalytically inactive protein-1/2 (2014)
  • Author(s): Toyoda, H. et al.
  • Organizer: The 44th Annual Meeting of the Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: The Walter E. Washington Convention Center (Washington, USA)
  • Year and Date: 2014-11-17 – 2014-11-17
• [Presentation] Oscillation and synchronization of neuronal activity in the insular cortex implicated in the feeding behavior (2014)
  • Author(s): Kang, Y. et al.
  • Organizer: The 12th International Symposium on Molecular and Neural Mechanisms of Taste and Olfactory Perception
  • Place of Presentation: YR Umami Forum (Fukuoka)
  • Year and Date: 2014-11-02 – 2014-11-02
  • Invited
• [Presentation] PRIP-1/2ダブルノックアウトマウスのバレル皮質第3層錐体細胞におけるCICR及びSOCEの増強のメカニズム (2014)
  • Author(s): 河野奨 他
  • Organizer: 第56回歯科基礎医学会学術大会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡）
  • Year and Date: 2014-09-27 – 2014-09-27
• [Presentation] 三叉神経運動核閉口筋領域内のγ運動ニューロンの電気生理学的および組織学的特性 (2014)
  • Author(s): 西村佳世 他
  • Organizer: 第56回歯科基礎医学会学術大会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡）
  • Year and Date: 2014-09-27 – 2014-09-27
• [Presentation] cGMP依存性蛋白キナーゼの活性化によるTASK3コンダクタンスの抑制 (2014)
  • Author(s): 田中千恵 他
  • Organizer: 第56回歯科基礎医学会学術大会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡）
  • Year and Date: 2014-09-27 – 2014-09-27
• [Presentation] ラットバレル野におけるカイニン酸誘発性オシレーションの周期的同期化機構 (2014)
  • Author(s): 豊田博紀 他
  • Organizer: 第56回歯科基礎医学会学術大会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡）
  • Year and Date: 2014-09-27 – 2014-09-27
• [Presentation] カプサイシンの辛味認知およびそれに伴う自律神経系の活性化に関与する神経機構 (2014)
  • Author(s): 佐藤元 他
  • Organizer: 第56回歯科基礎医学会学術大会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡）
  • Year and Date: 2014-09-26 – 2014-09-26
• [Presentation] 咬合高径の拳上がモルモットの学習・記憶能に及ぼす影響 (2014)
  • Author(s): 藤浪陽三 他
  • Organizer: 第56回歯科基礎医学会学術大会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡）
  • Year and Date: 2014-09-26 – 2014-09-26
• [Presentation] 三叉神経運動ニューロンの序列動員の基盤となるイオンチャネル機構 (2014)
  • Author(s): 齋藤充 他
  • Organizer: 第56回歯科基礎医学会学術大会・総会サテライトシンポジウム
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡）
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-25
• [Presentation] 大脳皮質体性感覚野バレル皮質領野におけるカラム間の周期的同期化機構 (2014)
  • Author(s): 豊田博紀 他
  • Organizer: 第56回歯科基礎医学会学術大会・総会サテライトシンポジウム
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡）
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-25
• [Presentation] cGMP依存性蛋白キナーゼによるTASK電流の調節 (2014)
  • Author(s): 齋藤充 他
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜国際平和会議場（横浜）
  • Year and Date: 2014-09-12 – 2014-09-12
• [Presentation] TASKチャネルによる咬筋運動ニューロンの序列動員生成機序 (2014)
  • Author(s): 豊田博紀 他
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜国際平和会議場（横浜）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-11
• [Presentation] ラットバレル皮質における周期的同期化に関与するGABA(B)受容体媒介性シナプス前抑制 (2014)
  • Author(s): 佐藤元 他
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 横浜国際平和会議場（横浜）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-11