サル脊髄損傷モデルにおける大脳運動関連領野の可塑的神経メカニズムの解明

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Mechanisms underlying the functional shift of brain neural circuitry for behavioral adaptation
• Project/Area Number: 17H05567
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 高田 昌彦 京都大学, 霊長類研究所, 教授 (00236233)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2019-03-31
• Keywords: 脊髄損傷 / 皮質脊髄路 / 大脳運動関連領野 / 樹状突起 / 霊長類

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、解剖学的および生理学的にヒトに近縁のマカクザルを用いて、脊髄損傷後の前頭葉運動関連領野でみられる可塑的変化を形態学的に明らかにし、機能回復の中枢メカ二ズムに迫ることを目的としている。具体的には、健常個体と脊髄損傷後の急性期と慢性期における運動関連領野（特に一次運動野、運動前野、補足運動野）の樹状突起および樹状突起スパインの形態変化と運動機能回復との相関について検討する。平成29年度は、特に「大脳運動関連領野における錐体細胞の樹状突起と樹状突起スパインの形態学的解析」を中心に研究計画を遂行し、まず健常個体において皮質内微小刺激法により同定した一次運動野、補足運動野、運動前野背側部および腹側部の４つの運動関連領野の手指領域を対象にして、ゴルジ染色法を用いて、皮質脊髄路の起始ニューロンである各領野の第Ｖ層巨大錐体細胞の樹状突起と樹状突起スパインの形態を解析した。樹状突起については、Sholl analysisによりその形態（複雑さ）を解析し、樹状突起スパインについては、細胞体から20 μmに位置するスパイン数をカウントすることによりその局在分布を解析するとともに、形状を５種類（filopodia、thin、stabby、mushroom、branched types）に分類し、成熟スパインか未成熟スパインかを判定した。現在、得られた実験データの解析を進めており、これらのパラメータを適用することにより、運動関連領野間における皮質脊髄路の起始ニューロンの形態学的差異が明らかになりつつある。また、「脊髄損傷後の機能回復と錐体細胞の樹状突起・スパイン動態の相関解析」についても、脊髄損傷後の急性期（約10日後）における樹状突起・スパインの形態変化の解析に関する実験をスタートした。なお、運動機能の回復過程における行動評価については、手指の巧緻性を定量的に評価できるreaching/grasping taskを用いた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

平成29年度は、特に「大脳運動関連領野における錐体細胞の樹状突起と樹状突起スパインの形態学的解析」を中心に研究計画を遂行し、健常個体で一次運動野、補足運動野、運動前野背側部および腹側部の４つの運動関連領野間における第Ｖ層巨大錐体細胞（皮質脊髄路の起始ニューロン）の形態学的差異が明らかになりつつあるとともに、「脊髄損傷後の機能回復と錐体細胞の樹状突起・スパイン動態の相関解析」についても、脊髄損傷後の急性期（約10日後）における樹状突起・スパインの形態変化の解析に関する実験をすでにスタートしており、全体として研究が極めて順調に進展していると考えられるため。

Strategy for Future Research Activity

平成29年度に実施した「大脳運動関連領野における錐体細胞の樹状突起と樹状突起スパインの形態学的解析」に関する研究計画を継続し、健常個体で一次運動野、補足運動野、運動前野背側部および腹側部の４つの運動関連領野間における第Ｖ層巨大錐体細胞（皮質脊髄路の起始ニューロン）の形態学的差異を明らかにするとともに、「脊髄損傷後の機能回復と錐体細胞の樹状突起・スパイン動態の相関解析」についても、脊髄損傷後の急性期（約10日後）と慢性期（約3ヶ月後；機能回復後）における樹状突起・スパインの形態変化を解析し、脊髄損傷モデルで得られたデータを健常個体で得られたデータと比較することにより、脊髄損傷後の運動機能回復と個別の運動関連領野における錐体細胞の可塑的変化との相関を明らかにする。また、「経頭蓋磁気刺激（TMS）治療による運動機能回復効果の解析」についても検討を開始し、可塑的変化が顕著にみられた運動関連領野に対してTMSを施行して運動機能回復の治療効果を検証する。

Research Products

• [Journal Article] Multisynaptic Projections from the Amygdala to the Ventral Premotor Cortex in Macaque Monkeys: Anatomical Substrate for Feeding Behavior (2018)
  • Author(s): Ishida Hiroaki、Inoue Ken-ichi、Takada Masahiko
  • Journal Title: Frontiers in Neuroanatomy Volume: 12 Pages: 3
  • DOI: 10.3389/fnana.2018.00003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Treatment With the Neutralizing Antibody Against Repulsive Guidance Molecule-a Promotes Recovery From Impaired Manual Dexterity in a Primate Model of Spinal Cord Injury (2018)
  • Author(s): Nakagawa Hiroshi、Ninomiya Taihei、Yamashita Toshihide、Takada Masahiko
  • Journal Title: Cerebral Cortex Volume: 29 Pages: 561～572
  • DOI: 10.1093/cercor/bhx338
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-Speed and Scalable Whole-Brain Imaging in Rodents and Primates (2017)
  • Author(s): Seiriki K, Kasai A, Hashimoto T, Schulze W, Niu M, Yamaguchi S, Nakazawa T, Inoue K, Uezono S, Takada M, Naka Y, Igarashi H, Tanuma M, Wascheck JA, Ago Y, Tanaka KF, Hayata-Takano A, Nagayasu K, Shintani N, Hashimoto R, Kunii Y, Hino M, Matsumoto J, Yabe H, Nagai T, Fujita K, Matsuda T, Takuma K. Baba A, Hashimoto H
  • Journal Title: Neuron Volume: 94 Pages: 1085～1100.e6
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2017.05.017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pseudotyped Lentiviral Vectors for Retrograde Gene Delivery into Target Brain Regions (2017)
  • Author(s): Kobayashi K, Inoue K, Tanabe S, Kato S, Takada M, Kobayashi K
  • Journal Title: Front Neuroanat Volume: 11 Pages: 65
  • DOI: 10.3389/fnana.2017.00065
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Alterations in the reduced pteridine contents in the cerebrospinal fluids of LRRK2 mutation carriers and patients with Parkinson’s disease (2017)
  • Author(s): Ichinose H, Inoue K, Arakawa S, Watanabe Y, Kurosaki H, Koshiba S, Hustad E, Takada M, Aasly JO
  • Journal Title: J Neural Transm Volume: 125 Pages: 45～52
  • DOI: 10.1007/s00702-017-1784-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 光学センサーと小型コンピュータを用いた可搬型行動実験装置の開発 (2018)
  • Author(s): 大石高生、上野瑠惟、高田昌彦
  • Organizer: 第7回日本マーモセット研究会大会
• [Presentation] マーモセットにおける大脳基底核および小脳から前部・後部帯状皮質への多シナプス性入力様式 (2018)
  • Author(s): 上園志織、田辺創思、藤原真紀、柘植仁美、中村克樹、井上謙一、高田昌彦
  • Organizer: 第7回日本マーモセット研究会大会
• [Presentation] 化学遺伝学とPET イメージングの融合による黒質線条体ドーパミン神経活動制御 (2018)
  • Author(s): 南本敬史、三村喬生、永井裕司、井上謙一、須原哲也、高田昌彦
  • Organizer: 第7回日本マーモセット研究会大会
• [Presentation] 光遺伝学による脳神経系へのアプローチ：霊長類 (2017)
  • Author(s): 高田昌彦
  • Organizer: 第64回日本実験動物学会総会
  • Invited
• [Presentation] マカクサルモデルの脳病態：多系統萎縮症、パーキンソン病、老化 (2017)
  • Author(s): 高田昌彦
  • Organizer: 第58回日本神経病理学会総会学術研究会
  • Invited
• [Presentation] Cells of origin of multisynaptic projections from amygdala to ventral premotor cortex in macaques (2017)
  • Author(s): Ishida H, Inoue K, Hoshi E, Takada M
  • Organizer: Different elements of Primate Neural Networks in the Connectome Era
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Organization of multisynaptic inputs from the basal ganglia to the premotor cortex in macaque monkeys - Retrograde transneuronal dual tracing using rabies viral vectors (2017)
  • Author(s): Inoue K, Fujiwara M, Uezono S, Tanabe S, Ishida H, Hoshi E, Takada M
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia Conference: Primate Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 霊長類および齧歯類の線条体入力系におけるFuGシュードタイプレンチウイルス (2017)
  • Author(s): 田辺 創思、井上 謙一、上園 志織、柘植 仁美、中村 克樹、小林 和人、高田 昌彦
  • Organizer: 第32回 日本大脳基底核研究会
• [Presentation] マーモセットにおける大脳基底核から帯状皮質への多シナプス性入力様式 (2017)
  • Author(s): 上園 志織、田辺 創思、藤原 真紀、柘植 仁美、中村 克樹、井上 謙一、高田 昌彦
  • Organizer: 第32回 日本大脳基底核研究会
• [Presentation] Raspberry Piを用いたマーモセット運動機能解析装置の開発 (2017)
  • Author(s): 大石高生、福冨憲司、上野瑠惟、高田昌彦
  • Organizer: 第33回日本霊長類学会
• [Presentation] Differences in retrograde gene transfer efficiency and cytotoxicity between lentiviral vectors pseudotyped with FuG-E and FuG-B2 glycoprotein in the striatal input system of rodents and primates (2017)
  • Author(s): Tanabe S, Uezono S, Tsuge H, Fujiwara M, Nagaya K, Nagaya N, Sugawara M, Miwa M, Konoike N, Kato S, Nakamura K, Kobayasi K, Inoue K, Takada M
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] Improvement of a sucrose preference test for evaluating depression-like behavior in macaque monkeys (2017)
  • Author(s): Yamanaka H, Hosaka N, Takada M, Onoe H
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] GABAergic modulation of striatal neuron activity in behaving macaque monkeys (2017)
  • Author(s): Hatanaka N, Takara S, Kaneko N, Takada M, Nambu A
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] Phase-amplitude coupling in cerebro-basal ganglia-cerebellar networks: A new model of hypo- and hyperkinetic movement disorders (2017)
  • Author(s): Ninomiya T, Nagai Y, Inoue K, Hori Y, Kikuchi E, Lee J, Suhara T, Iriki A, Minamimoto T, Takada M, Isoda M, Matsumoto M, Mccairn K.W.
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] Organization of multisynaptic inputs from the basal ganglia to the dorsal and ventral premotor cortices in macaque monkeys: retrograde transneuronal dual tracing with fluorescent rabies viral vectors (2017)
  • Author(s): Inoue K, Fujiwara M, Uezono S, Tanabe S, Tsuge H, Nagaya N, Nagaya K, Ishida H, Hoshi E, Takada M
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] The lentiviral vector pseudotyped with FuG-E glycoprotein is more suitable, compared with the FuG-B2 type, for retrograde gene transfer into the cortical input system of primates (2017)
  • Author(s): Tsuge H, Uezono S, Tanabe S, Fujiwara M, Nagaya K, Nagaya N, Sugawara M, Miwa M, Konoike N, Kato S, Nakamura K, Kobayashi K, Inoue K, Takada M
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] Morphological differences of large layer V pyramidal neurons among the cortical motor-related areas of macaques (2017)
  • Author(s): Takata Y, Nakagawa H, Yamanaka H, Takada M
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] Primate dopamine neurons in the substantia nigra transmit a stop signal to the caudate nucleus during the performance of a saccadic countermanding task (2017)
  • Author(s): Ogasawara T, Takada M, Matsumoto M
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] Predicted reward value in the rostromedial caudate and the ventral pallidum for goal-directed action in monkeys (2017)
  • Author(s): Fujimoto A, Hori Y, Nagai Y, Mccairn K.W. Hirabayashi T, Takada M, Suhara T, Minamimoto T
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] Nucleus Accumbens Dysregulation and Deep Brain Stimulation: Evidence for Disruption of Normal and Abnormal Behavioral Profiles and Neurophysiological Activity in Monkeys and Humans (2017)
  • Author(s): Mccairn K.W., Ninomiya T, Min P.H., Lim, Park, Bennet K.E., Lee K.H., Isoda M, Paek S, Takada M
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] Organization of multisynaptic inputs from the basal ganglia and cerebellum to the cingulate cortex in common marmosets as revealed by retrograde transneuronal labeling with rabies virus (2017)
  • Author(s): Uezono S, Tsuge H, Tanabe S, Fujiwara M, Nagaya N, Nagaya K, Inoue K, Takada M
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] Involvement of the store operated calcium entry in the long-lasting calcium transient in the striatal GABAergic neuron (2017)
  • Author(s): Kikuta S, Yanagawa Y, Homma N, Takada M, Osanai M
  • Organizer: Neuroscience 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A sucrose preference test modified for evaluation of depression-like behavior in macaque monkeys (2017)
  • Author(s): Yamanaka H, Hosaka N, Takada M, Onoe H
  • Organizer: Neuroscience 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Arrangement of multisynaptic inputs from the basal ganglia to the dorsal and ventral premotor cortical areas in macaques: retrograde transneuronal double labeling with fluorescent rabies viral vectors (2017)
  • Author(s): Inoue K, Fujiwara M, Uezono S, Tanabe S, Ishida H, Hoshi E, Takada M
  • Organizer: Neuroscience 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The nigrostriatal dopamine pathway transmits a stop signal during the performance of a saccadic countermanding task in monkeys (2017)
  • Author(s): Ogasawara T, Takada M, Matsumoto M
  • Organizer: Neuroscience 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] FAST, High-speed serial-sectioning imaging for whole brain analysis with high scalability (2017)
  • Author(s): Kasai A, Seiriki K, Hashimoto T, Niu M, Yamaguchi S, Naka Y, Igarashi H, Tamura M, Nakazawa T, Inoue K, Takada M, Fujita K, Hashimoto H
  • Organizer: Neuroscience 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Encoding expected reward value for formulating goal-directed decision in the rostro-medial caudate and the ventral pallidum (2017)
  • Author(s): Fujimoto A, Hori Y, Nagai Y, McCairn K.W, Hirabayashi T, Kikuchi E, Takada M, Suhara T, Minamimoto T
  • Organizer: Neuroscience 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Organization of multisynaptic inputs from the basal ganglia and cerebellum to the anterior and posterior cingulate cortical areas in common marmosets: Retrograde transneuronal double labeling with fluorescent rabies viral vectors (2017)
  • Author(s): Uezono S, Tanabe S, Fujiwara M, Tsuge H, Nakamura K, Inoue K, Takada M
  • Organizer: Neuroscience 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optogenetic modulation of saccade-controlling circuits in the monkey basal ganglia (2017)
  • Author(s): Amita H, Kim H.F, Inoue K, Takada M, Hikosaka O
  • Organizer: Neuroscience 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Differences in retrograde gene transfer efficiency and cytotoxicity between lentiviral vectors pseudotyped with FuG-E and FuG-B2 glycoprotein in rodent and primate brains (2017)
  • Author(s): Tanabe S, Tsuge H, Uezono S, Fujiwara M, Miwa M, Konoike N, Kato S, Nakamura K, Kobayashi K, Inoue K, Takada M
  • Organizer: Neuroscience 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cells of origin of multisynaptic projections from amygdala to ventral premotor cortex in macaques (2017)
  • Author(s): Ishida H, Inoue K, Hoshi E, Takada M
  • Organizer: 平成29年度生理研研究会 第7回社会神経科学研究会
• [Remarks] 京都大学霊長類研究所 統合脳システム分野 ホームページ
  • URL: http://www.pri.kyoto-u.ac.jp/sections/systems_neuroscience/index.html