発達期神経回路再編成の定量コネクトミクス解析

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Mechanisms underlying the functional shift of brain neural circuitry for behavioral adaptation
• Project/Area Number: 15H01413
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 八尾 寛 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (00144353)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: シナプス / 軸索 / 発達 / 臨界期 / 競合 / 数理モデル / ニワトリ胚 / 神経科学

Outline of Annual Research Achievements

本年度の研究において、シナプス研究に長年用いられてきたニワトリ胚毛様体神経節を発達期の回路再編のモデルとし、まばら発現システムや組織透明化法などの最先端技術を総合することで、発達期の軸索間競合に対して遺伝子工学的に介入しつつ定量的に解析するコネクトミクス研究システムを確立した。その結果、8日胚(E8)では一つの毛様体ニューロンに対して多数のブートン状シナプスが形成されているが、E9-10にブートン状シナプスからカリックスへの発達が始まり、その後E11-12からカリックスを持たない軸索側枝が刈り込まれることで、E14までに分枝がなくカリックスを1つだけ持った単一の形態パターンに収束していくことを見出した。すなわち、分枝は各軸索間で均質に刈り込まれ、プレとポストがほぼ完全な1対1の接続となる。14日胚(E14)では1つの巨大な杯状シナプス（カリックス）が形成されるようになり、この過程においてシナプス除去が生じている。このように均質なネットワークの形成は、従来の競合ルールのみでは説明不可能である。本研究においては、数理モデルに基づいて、「ヘッブ則競合」「負のニューロトロフィズム」の２つのルールを仮説することにより、発達期の軸索刈込みが説明できることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究課題の遂行において、基盤となる実験システムを最適化し、発達期の軸索刈込みのルールを解明することに成功した（論文投稿中）。さらに、「活動電位発生頻度の高いシナプス前軸索は標的を寡占する」とする仮説を検証するにあたり、これらの技術を駆使し、発達期の軸索間競合に対して遺伝子工学的に介入する手法を評価した。NaChBacは閾値が低いバクテリア由来の電位依存性Na+チャネルだが、これをシナプス前ニューロンに強制発現することにより、活動電位の発生頻度が昂進することを確認した。また、内向き整流性K+チャネルのKir2.1を強制発現することにより静止膜電位が低下することで活動電位発生が抑制されることを確認した。これらの効果について、先述の手法により軸索発達過程を定量解析し、軸索間競合における神経活動の役割を考察する。軸索の小集団での機能分子の発現を操作し、その発達過程を定量的に評価することにより、軸索間競合による回路再編の基盤原理・分子メカニズムを解明する。

Strategy for Future Research Activity

平成27年度に引き続き、NaChBacとKir2.1をシナプス前ニューロンに導入して軸索の小集団の活動を操作することで神経活動と軸索間競合の関与を解明する。また、「負のニューロトロフィズム」のメカニズムを分子レベルで解明する。

Research Products

• [Journal Article] The regulatory mechanism of ion permeation through a channelrhodopsin derived from Mesostigma viride (MvChR1). (2016)
  • Author(s): Watanabe S, Ishizuka T, Hososhima S, Zamani A, Hoque MR, Yawo H.
  • Journal Title: Photochem Photobiol Sci. Volume: 15 Pages: 365-374
  • DOI: doi: 10.1039/c5pp00290g
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump. (2015)
  • Author(s): Kato, H. E., Inoue, K., Abe-Yoshizumi, R., Kato, Y., Ono, H., Konno, M., Ishizuka, T., Hoque, M. R., Hososhima, S., Kunitomo, H., Ito, J., Yoshizawa, S., Yamashita, K., Takemoto, M., Nishizawa, T., Taniguchi, R., Kogure, K., Maturana, A. D., Iino, Yuichi., Yawo, H., Ishitani, R., Kandori, H., Nureki, O.
  • Journal Title: Nature Volume: 521 Pages: 48-53
  • DOI: 10.1038/nature14322
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chimeras of channelrhodopsin-1 and -2 from Chlamydomonas reinhardtii exhibit distinctive light-induced structural changes from channelrhodopsin-2. (2015)
  • Author(s): Inaguma A, Tsukamoto H, Kato HE, Kimura T, Ishizuka T, Oishi S, Yawo H, Nureki O, Furutani Y.
  • Journal Title: J Biol Chem. Volume: 290 Pages: 11623-11634
  • DOI: 10.1074/jbc.M115.642256
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Loss of α1,6-Fucosyltransferase Decreases Hippocampal Long Term Potentiation: IMPLICATIONS FOR CORE FUCOSYLATION IN THE REGULATION OF AMPA RECEPTOR HETEROMERIZATION AND CELLULAR SIGNALING. (2015)
  • Author(s): Gu W, Fukuda T, Isaji T, Hang Q, Lee HH, Sakai S, Morise J, Mitoma J, Higashi H, Taniguchi N, Yawo H, Oka S, Gu J.
  • Journal Title: J Biol Chem. Volume: 290 Pages: 17566-17575
  • DOI: 10.1074/jbc.M114.579938
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Phox2b BAC Transgenic Rat Line Useful for Understanding Respiratory Rhythm Generator Neural Circuitry. (2015)
  • Author(s): Ikeda K, Takahashi M, Sato S, Igarashi H, Ishizuka T, Yawo H, Arata S, Southard-Smith EM, Kawakami K, Onimaru H.
  • Journal Title: PLoS One Volume: 10 Pages: e0132475
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0132475
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Membrane depolarization regulates intracellular RANKL transport in non-excitable osteoblasts. (2015)
  • Author(s): Notomi T, Kuno M, Hiyama A, Ezura Y, Honma M, Ishizuka T, Ohura K, Yawo H, Noda M.
  • Journal Title: Bone Volume: 23 Pages: 306-314
  • DOI: 10.1016/j.bone.2015.07.031
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Near-infrared (NIR) up-conversion optogenetics. (2015)
  • Author(s): Hososhima S, Yuasa H, Ishizuka T, Hoque MR, Yamashita T, Yamanaka A, Sugano E, Tomita H, Yawo H.
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 5 Pages: 16533
  • DOI: 10.1038/srep16533
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 生命機能の光エンジニアリング (2015)
  • Author(s): 石塚徹、江川遼、梅田桂子、東海林亙、八尾寛
  • Journal Title: 生物物理 Volume: 55 Pages: 311-316
  • DOI: 10.2142/biophys.55.311
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 「巻頭言」光と生命の融合 (2015)
  • Author(s): 八尾寛
  • Journal Title: 光学 Volume: 44 Pages: 415-415
• [Journal Article] オプトジェネティクス（光遺伝学）の情報革命 (2015)
  • Author(s): 八尾寛
  • Journal Title: 化学と工業 Volume: 68 Pages: 1012-1017
• [Presentation] ウィスカ―バレル野の感覚入力における時空間パターン弁別 (2016)
  • Author(s): 阿部健太、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] All-optical approach to study signal integration in the somatosensory cortex of mouse (2016)
  • Author(s): Koizumi, K., Sato, M., Ohkura, M., Nakai, J., Hayashi, Y., Yawo, H.
  • 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] Near-infared (NIR) up-conversion optogenetics for neural manipulation (2016)
  • Author(s): Shoko Hososhima, Hideya Yuasa, Eriko Sugano, Hiroshi Tomita, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo
  • 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] Involvement of caspase system in the regulation of axon arborization during early developmental stages of chick ciliary ganglion (2016)
  • Author(s): H. Katow, T. Ishizuka, and H. Yawo
  • Organizer: Dissecting and Understanding Mechanisms for Functional Shift of Brain Network
  • Place of Presentation: 同志社大学（京都府・京都市）
  • Year and Date: 2016-03-03 – 2016-03-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] オプトジェネティクス（光遺伝学）～光による生命機能制御～ (2016)
  • Author(s): 八尾 寛
  • Organizer: 分子ナノテクノロジー第174委員会 第53回研究会
  • Place of Presentation: 京都大学東京品川オフィス（東京都・港区）
  • Year and Date: 2016-03-02 – 2016-03-02
  • Invited
• [Presentation] Near-infrared (NIR) light control of neural activities using up-conversion of lanthanide nanoparticles (2015)
  • Author(s): Shoko Hososhima, Hideya Yuasa, Toru Ishizuka, Mohammad Razuanul Hoque, Hiromu Yawo
  • Organizer: 第7回光操作研究会国際シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京医科歯科大学（東京都・文京区）
  • Year and Date: 2015-12-04 – 2015-12-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel transgenic animals for tracing and optogenetics -Flame rats and bistable ChR reporter rats- (2015)
  • Author(s): H. IGARASHI, K. KOIZUMI, R. KANEKO, K. NISHIZAWA, Y. YANAGAWA, S.-I. MURAMATSU, K. KOBAYASHI, T. ISHIZUKA, H. YAWO
  • Organizer: 第7回光操作研究会国際シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京医科歯科大学（東京都・文京区）
  • Year and Date: 2015-12-04 – 2015-12-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ランタニドナノ粒子アップコンバージョンを利用した近赤外光操作 (2015)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: 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] OPTOGENETIC 51LENCING OF NEURONAL ACTIVITY US1NG A LlGHT-DRIVEN SODIUM ION PUMP IN MARINE BACTERIA (2015)
  • Author(s): Toru Ishizuka，Shoko Hososhima, Mohammad Razuanul Hoque, Kazuho Yoshida，Keiichi Inoue，Hideki Kandori，Hiromu Yawo
  • Organizer: NTNU-Tohoku Univ. Brain Science Meeting
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-11-25 – 2015-11-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] NEAR-INFRARED (NIR) OPTOGENETICS USING UP-CONVERSION OF LANTHANIDE NANOPARTICLES (2015)
  • Author(s): Shoko Hososhima, Hideya Yuasa, Toru Ishizuka，Hiromu Yawo
  • Organizer: NTNU-Tohoku Univ. Brain Science Meeting
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-11-25 – 2015-11-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optogenetic induction of contractile ability in C2C12 myotubes (2015)
  • Author(s): Toshifumi Asano, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo
  • Organizer: 8th FAOPS Congress
  • Place of Presentation: Bangkok, Thailand
  • Year and Date: 2015-11-22 – 2015-11-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Discrimination of optogenetic whisker-barrel inputs using channelrhodopsin-2 transgenic rat (2015)
  • Author(s): Kenta Abe, Hiromu Yawo
  • Organizer: 8th FAOPS Congress
  • Place of Presentation: Bangkok, Thailand
  • Year and Date: 2015-11-22 – 2015-11-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Opt-fMRI imaging of somatosensory cortical activity using transgenic rat which expresses channelrhodopsin-2 in the peripheral mechanoreceptive neurons (2015)
  • Author(s): Yukinobu Yokoyama, Akira Sumiyoshi, Ryuta Kawashima, Hiromu Yawo
  • Organizer: 8th FAOPS Congress
  • Place of Presentation: Bangkok, Thailand
  • Year and Date: 2015-11-22 – 2015-11-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel transgenic animals for tracing and optogenetics -Flame rats and bistable ChR reporter rats- (2015)
  • Author(s): H. IGARASHI, K. KOIZUMI, R. KANEKO, K. NISHIZAWA, Y. YANAGAWA, S.-I. MURAMATSU, K. KOBAYASHI, T. ISHIZUKA, H. YAWO
  • Organizer: Neuroscience 2015
  • Place of Presentation: Chicago, USA
  • Year and Date: 2015-10-17 – 2015-10-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] "Multi-Linc" - an optogenetic/electrophysiological method to reveal information flows among multiple brain areas (2015)
  • Author(s): A. SAIKI, Y. SAKAI, R. FUKABORI, S. SOMA, J. YOSHIDA, H. YAWO, K. KOBAYASHI, M. KIMURA, Y. ISOMURA
  • Organizer: Neuroscience 2015
  • Place of Presentation: Chicago, USA
  • Year and Date: 2015-10-17 – 2015-10-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光を用いて神経活動に介入する「オプトジェネティクス」 (2015)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: FAN2015 第25回インテリジェント・システム・シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-09-24 – 2015-09-25
  • Invited
• [Presentation] Optogenetic patterning of neural activity (2015)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: 2015年光化学討論会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2015-09-09 – 2015-09-11
  • Invited
• [Presentation] How do axons scramble for targets? - Quantitative connectomics of axonal reorganization during development (2015)
  • Author(s): Ryo Egawa, Toru lshizuka, Hiromu Yawo
  • 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] Near-infrared (NIR) optogenetics using up-conversion of lanthanide nanoparticles (2015)
  • Author(s): Hiromu Yawo, Shoko Hososhima, Kenta Abe, Hideya Yuasa, Eriko Sugano, Hiroshi Tomita, Toru lshizuka
  • 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] Optogenetic silencing of neural activity using a light-driven Na+ pump from marine bacteria (2015)
  • Author(s): Mohammad Razuanul Hoque, Shoko Hososhima, Kazuho Yoshida, Toru lshizuka, Keiichi lnoue, Hideki Kandori, Hiromu Yawo
  • 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] Discrimination of optogenetic whisker-barrel patterns in transgenic rats expressing channelrhodopusin-2 (2015)
  • Author(s): Kenta Abe, Toru lshizuka, Hiromu Yawo
  • 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] Flame rat - evaluation of a reporter transgenic rat line which conditionally expresses bright red fluorescent protein (tdTomato) (2015)
  • Author(s): Hiroyuki lgarashi, Kyo Koizumi, Ryosuke Kaneko, Keiko lkeda, Hiroshi Onimaru, Yuchio Yanagawa, Shin-lchi Muramatsu, Toru lshizuka, Keiichi lnoue, Hideki Kandori, Hiromu Yawo
  • 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] "Multi-Linc" - a novel optogenetic/electrophysiological method to explore information flows among multiple brain areas (2015)
  • Author(s): Akiko Saiki, Yutaka Sakai, Ryoji Fukabori, Junichi Yoshida, Hiromu Yawo, Kazuto Kobayashi, Minoru Kimura, Yoshikazu lsomura
  • 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] How do axons scramble for targets? - Quantitative connectomics of axonal reorganization during development (2015)
  • Author(s): 江川遼、石塚徹、八尾寛
  • Organizer: Frontiers of Brain Science: Tools & Technologies
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-07-21 – 2015-07-24
• [Presentation] Competition or coexistence? Emergence of uniform arborization pattern during developmental axon reorganization (2015)
  • Author(s): Hiromu Yawo, Satoki Sakai, Ryo Egawa
  • Organizer: Frontiers of Brain Science: Tools & Technologies
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-07-21 – 2015-07-24
• [Presentation] 神経損傷後の一次求心性神経Aβ線維を介する疼痛関連行動：光遺伝学的アプローチを用いた神経障害性疼痛の新しい評価法 (2015)
  • Author(s): 田島諒一（Ryoichi Tashima），古賀啓祐（Keisuke Koga），山本将大（Shota Yamamoto），樋口瞳（Hitomi Higuchi），高露雄太（Yuta Kohro），八尾寛（Hiromu Yawo），井上和秀（Kazuhide Inoue），古江秀昌（Hidemasa Furue），津田誠（Makoto Tsuda）
  • Organizer: 日本疼痛学会
  • Place of Presentation: 市民会館崇城大学ホール（熊本県・熊本市）
  • Year and Date: 2015-07-03 – 2015-07-04
• [Presentation] ランタニドナノ粒子アップコンバージョン効果による 近赤外オプトジェネティクス (2015)
  • Author(s): 八尾寛、細島頌子、阿部健太、湯浅英哉、 菅野江里子、冨田浩史、石塚徹
  • Organizer: ナノ学会第13回大会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-05-11 – 2015-05-13
• [Presentation] チャネルロドプシン光電変換の特性と応用 (2015)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: 理研シンポジウム「細胞システムの動態と論理 Ⅶ」
  • Place of Presentation: 理化学研究所（埼玉県・和光市）
  • Year and Date: 2015-04-02 – 2015-04-03
  • Invited
• [Book] Optogenetics: Light-Sensing Proteins and Their Applications (2015)
  • Author(s): Yawo H, Kandori H, Koizumi A
  • Total Pages: 409 (1-409)
  • Publisher: Springer
• [Book] Chaptor 8. General description: Future prospects of optogenetics. “Optogenetics: Light-Sensing Proteins and Their Applications” (2015)
  • Author(s): Yawo, H., Egawa, R., Hososhima, S., Wen, L.
  • Total Pages: 409 (111-132)
  • Publisher: Springer
• [Book] Chaptor 21. Strategies to probe mechanoreception: from mechanical to optogenetic approaches. “Optogenetics: Light-Sensing Proteins and Their Applications” (2015)
  • Author(s): Ji, Z.-G., Ishizuka, T., Yawo, H.
  • Total Pages: 409 (305-314)
  • Publisher: Springer
• [Remarks] 東北大学大学院生命科学研究科
  • URL: http://www.lifesci.tohoku.ac.jp/teacher/t_yawo/
• [Remarks] 東北大学脳科学センター
  • URL: http://www.bsc.tohoku.ac.jp/researchers/yao_h/
• [Remarks] 脳機能解析分野
  • URL: http://neuro.med.tohoku.ac.jp/japanese/noukinou.html
• [Remarks] 光で筋肉を再生！ ～ALSなどの難病治療に対する新たな技術として期待～
  • URL: http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2015/02/press20150205-01.html
• [Remarks] レアメタル・ナノ粒子の光で脳細胞を活性化-近赤外光信号によるオン・オフ制御の実現
  • URL: http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2015/11/press20151109-01.html