2017 Fiscal Year Annual Research Report
qAIM-MRI による大脳皮質-基底核-視床ループの神経回路シフト解析法の確立
Publicly Offered Research
| Project Area | Mechanisms underlying the functional shift of brain neural circuitry for behavioral adaptation |
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| Project/Area Number |
17H05543
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
小山内 実 東北大学, 医学系研究科, 准教授 (90286419)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | MRI / イメージング / 大脳基底核 / モデル動物 / パーキンソン病 / 疼痛 / 脳・神経 / 生理学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
脳の神経回路は、学習あるいは疾患の発症などにより、様々な時空間スケールでその状態がダイナミックに遷移することが知られている。この神経回路のダイナミックな変化を神経回路の機能シフトと呼ぶ。このような神経回路の機能シフトが脳のどの領野でどの程度起こっているのかを捉えるためには全脳の活動を定量的に計測する必要がある。そこで本研究では、活動依存性 Mn2+ 造影 MRI (Activation-Induced manganese-enhanced MRI, AIM-MRI) をベースとして、代表者らが改良した AIM-MRI with quantitative T1 measurement (qAIM-MRI) を in vivo 神経活動計測法の主な手法として、種々の疾患モデル動物における神経回路シフト解析に適用しうるよう改良を行い、新たな神経回路シフト解析法の開発を行った。
平成 29 年度は、まず、qAIM-MRI を用いた神経活動計測法をより確固たるものにするために、脳内マンガン (Mn2+) 動態の計測を行い、その結果から撮影タイミングを検討し、神経活動と相関する Mn2+ 濃度を定量化するためにより適した撮影パラメーターの検討を行った。また、疾患や操作による表現型の変化を定量化するために、種々の行動実験手技を確立した。
パーキンソン病と同様運動機能の低下が起こる D1 ドーパミン受容体コンディショナルノックダウンマウス及び、急性・慢性疼痛モデル動物に対して、行動実験及び、qAIM-MRI による全脳神経活動計測を行った。現在、神経回路シフトと行動実験等による表現型との相関解析を進めているところである。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
実験計画に挙げた、「qAIM-MRI によるパーキンソン病の病態と相関した神経活動変化を呈する領域の同定」については、まず表現型の定量化のために、ローターロッドテスト、ビームウォークテスト、カタレプシーテスト、ポールテストなど様々な行動実験手技を確立した。パーキンソン病と同様の運動症状を呈するとの報告がある D1 ドーパミン受容体 (D1 受容体) コンディショナルノックダウンマウスに対して、これらの行動実験と qAIM-MRI による全脳神経活動計測を行った。その結果、行動実験、qAIM-MRI による全脳神経活動計測共に健常時との違いが見出された。現在、行動実験の結果と神経活動の変化との相関解析を行い、D1 受容体発現低下による神経回路シフトの解析を進めているところである。
「神経回路の機能シフト解析のための汎用 qAIM-MRI 法の確立」では、MnCl2 投与後の脳内の Mn2+ 動態を MRI 及びマイクロダイアリシス法で計測することにより、最適な撮影タイミングの検討、撮影パラメーターの検討を行い、汎用的な脳神経活動計測法としての qAIM-MRI 法の確立を進めた。
また、急性・慢性疼痛モデル動物に対して qAIM-MRI による全脳神経活動計測を適用し、疼痛時における神経回路シフトの全脳での可視化を進めている。
平成 30 年度実施予定であった「in vitro イメージングによる機能シフト発現メカニズムの解明」に関しては、様々な標本での多細胞 Ca2+ イメージングの技術を確立し、イメージングデータ解析の自動化にも着手している。加えて、カルシウム感受性蛍光タンパク質を細胞種特異的に発現する遺伝子組換えラット・マウスの系の確立を進めている。
以上の進捗状況から、研究は当初の計画以上に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
qAIM-MRI によるパーキンソン病の病態と相関した神経活動変化を呈する領域の同定：平成 29 年度に引き続き D1 受容体コンディショナルノックダウンマウスでの解析を行うと共に、MPTP 投与によるパーキンソン病モデル動物の解析も行い、ドーパミン受容体発現量の低下及びドーパミン量の低下による神経活動の変化の違いを検討し、パーキンソン病発症機序の解明を目指す。
神経回路の機能シフト解析のための汎用 qAIM-MRI 法の確立：平成 29 年度に行ったqAIM-MRI による全脳神経活動計測法を確立するための実験条件の最適化をさらに進めると共に、様々なモデル動物に qAIM-MRI による神経回路シフトの解析を進め、より汎用的な全脳神経活動計測法を確立する。
in vitro イメージングによる機能シフト発現メカニズムの解明：qAIM-MRI により、全脳に渡って神経回路の機能シフトが起こっている領野を同定することは可能であるが、細胞ごとの状態の変化や機能シフトが起こるメカニズムの解明を行うことは困難である。そこで、細胞種時的にカルシウム感受性蛍光タンパク質を発現するラット・マウスの系統を確立し、局所神経回路レベルでの神経回路の機能シフトの解析を行う。パーキンソン病モデル動物、疼痛モデル動物、及び種々の遺伝子操作などに対して、qAIM-MRI により機能シフトが認められた領域のスライス標本を作成し、Ca2+ イメージングにより、多細胞同時活動計測を行う。この結果により、局所回路における神経活動がどのように変化するのかを明らかにする。また、活動の同期解析を行い、局所回路レベルでの機能的神経回路シフトの状態を明らかにする。
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[Journal Article] Reduced expression of Na + /Ca 2+ exchangers is associated with cognitive deficits seen in Alzheimer's disease model mice2018
Author(s)
Moriguchi S, Kita S, Fukaya M, Osanai M, Inagaki R, Sasaki Y, Izumi H, Horie K, Takeda J, Saito T,
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Journal Title
Neuropharmacology
Volume: 131
Pages: 291～303
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Gelatin-Polyaniline Composite Nanofibers Enhanced Excitation?Contraction Coupling System Maturation in Myotubes2017
Author(s)
Ostrovidov S, Ebrahimi M, Bae H, Nguyen HK, Salehi S, Kim SB, Kumatani A, Matsue T, Shi X, Nakajima K,
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Journal Title
ACS Applied Materials & Interfaces
Volume: 9
Pages: 42444～42458
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Ultra-thin fluorescence endoscope imaging system2017
Author(s)
Osanai M, Ohkawa N, Kamiya A, Inami C, Sato M, Ohkura M, Kojima T, Kohmura Y, Hayashi Y, Yanagawa Y, Ohsawa M, Nakai J, Inokuchi K, Homma N, Mushiake H
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Journal Title
SICE Symposium on Systems and Information 2017 システム・情報部門学術講演会 2017 講演論文集
Volume: -
Pages: 814～815
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[Presentation] 脳深部機能解析のための極微細蛍光内視鏡イメージングシステム2018
Author(s)
小山内 実, 大川 宜昭, 神谷 厚範, 稲波 千尋, 佐藤 正晃, 大倉 正道, 小島 太郎, 幸村 裕治, 林 康紀, 柳川 右千夫, 大澤 匡弘, 中井 淳一, 井ノ口 馨, 本間 経康, 虫明 元
Organizer
平成 29 年度文部科学省新学術領域研究 学術研究支援基盤形成 先端モデル動物支援プラットフォーム 成果発表会
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[Presentation] Ultra-thin fluorescence endoscope imaging system for functional brain imaging2017
Author(s)
Osanai M, Ohkawa N, Sakamoto K, Miwa H, Kikuta S, Tamura A, Sato M, Ohkura M, Kojima T, Kohmura Y, Nakai J, Hayashi Y, Yanagawa Y, Inokuchi K, Homma N, Mushiake H
Organizer
第 40 回日本神経科学大会
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[Presentation] Inokuchi K. Unraveling the dynamism of engram cells during contextual memory processing2017
Author(s)
Ghandour K, Ohkawa N, Fung C, Saitoh Y, Takekawa T, Asai H, Okubo-Suzuki R, Nomoto M Soya S, Tsujimura S, Nishizono H, Matsuo M, Sato M, Ohkura M, Nakai J, Hayashi Y, Sakurai T, Osanai M, Fukai T
Organizer
NEUROSCIENCE 2017
Int'l Joint Research
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[Presentation] Ultra-thin fluorescence endoscope imaging system for functional biological imaging2017
Author(s)
Osanai M, Ohkawa N, Kamiya A, Inami C, Sato M, Ohkura M, Kojima T, Kohmura Y, Hayashi Y, Yanagawa Y, Ohsawa M, Nakai J, Inokuchi K, Homma N, Mushiake H
Organizer
SICE SSI 2017
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