2018 Fiscal Year Annual Research Report
発達障害の病態理解に向けた小脳－前頭前野－領野連関の解明
Publicly Offered Research
| Project Area | Brain information dynamics underlying multi-area interconnectivity and parallel processing |
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| Project/Area Number |
18H05139
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
石田 綾 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 講師 (40424171)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 領野連関 / 神経科学 / 発達障害 / 小脳 / 前頭前野 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
自閉スペクトラム症（ASD）などの発達障害は、増加傾向にあることから病態の解明が重要な課題となっている。しかし、その症状をもたらすメカニズムについては未解明な点が多い。近年、ASD 者では脳領域間の機能的な結合性が健常者と異なることが報告された。また、小脳の病理的異常については以前から報告があり、ASD 者では小脳皮質と前頭前野の結合性に変化があることも指摘されている。これらの知見は、小脳と前頭前野が機能的に結合しASD に関連する高次機能を制御することを示唆するが、2つの領域間の領野連関について生理的意義を実証した研究は少ない。そこで本研究では、小脳と前頭前野間の領野連関に焦点をあて、その解剖学的経路と生理的意義を明らかにし、回路形成を担う分子を同定することを目的とした。長期的には発達障害のモデルマウスへ研究を発展させることを目指し、2018年度は主に技術基盤の構築を行った。小脳から前頭前野へ至る投射経路をマウスの脳で可視化するため、アデノ随伴ウイルスベクターを用いたトレーシング実験を立ち上げ、変異型狂犬病ウイルスの作製条件を検討した。また、前頭前野が重要な役割を担うとされる作業記憶を、マウスで効率よく定量化するために、タッチパネルを用いた新しい作業記憶課題を開発した。従来から用いられてきた作業記憶課題は時間がかかり煩雑であることが問題だったが、新しい課題はほぼ全自動で施行することができ、これらの問題が解決したと考えている。さらに、小脳－前頭前野間の神経回路が適切に形成されるために必要な分子を明らかにするため、小脳の出力核に発現するシナプスオーガナイザーの局在解析をすすめている。以上で開発した技術を野生型のマウスだけでなく、発達障害のモデルマウスの解析にも応用することで、今後、病態の解明につなげていく計画である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
小脳からの入力が前頭前野の機能にどのような影響をもたらすのかを明らかにするため、2018年度は主に以下の課題を中心に技術基盤の構築を主に行った。
１）小脳から前頭前野への投射経路の同定：小脳から前頭前野に至る神経経路を明らかにするため、アデノ随伴ウイルスベクターと変異型組み換え狂犬病ウイルスを利用する計画である。本年度は、これらのウイルスを作成するためのプロトコールを最適化した。2018年度中旬に申請を経て変異型組み換え狂犬病ウイルスを使用する許可が得られ、ウイルス作成に着手した。既報のプロトコールに基づきウイルスを作成し、条件検討を経て目標とするタイターのウイルスが得らた。試験的にマウスの脳に注入したところ、感染細胞（一次感染細胞と２次感染細胞）が確認できた。
２） ホームケージシステムを用いた新しい作業記憶課題の開発：前頭前野が制御する代表的な機能が作業記憶であり、作業記憶の障害は様々な疾患との関連が示唆されている。従来の齧歯類を対象とした作業記憶課題は、時間がかかり、結果のばらつきが大きい等の問題があった。そこでこれらの問題を解決するため、タッチパネルを用いた新しい作業記憶課題を開発した。使用した装置には3つの点灯するパネルが装備されており、パネルを決められたパターンでタッチするとマウスは報酬として水を飲むことがきる。パネルをタッチする間隔（Delay）を制御することで、作業記憶への負荷を調節できる。様々なパラメーターを検討した結果、安定した実験データを得られるようになった。
３）小脳－前頭前野投射経路－制御分子の同定：小脳－前頭前野間の神経回路が適切に形成されるために必要な分子機構を明らかにするため、小脳の出力核に発現するシナプスオーガナイザーの局在解析をすすめている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は小脳から前頭前野に至る投射経路がもつ生理的機能を明らかにすることを目的として、2018年度に確立したウイルスベクターと新しい作業記憶課題を利用し、実験を進める計画である。以下の3つの課題を主軸として、目的の達成に向けて計画を遂行する。
課題１では、小脳からの出力がどのような投射経路で前頭前野と結合しているのかを明らかにするため、野生型マウスを用い、ウイルスベクターによるトレーシング実験を行う。2018年度には、変異型狂犬病ウイルスの作成条件を最適化し、アデノ随伴ウイルスの血清型について選別を行った。2019年度はこれらのウイルスを用い、深部小脳核から前頭前野にいたる投射経路を同定する。
課題２では、課題１で明らかにする投射経路が、マウスの行動制御に果たす生理的機能を明らかにすることを目指している。2018年度には、新しい作業記憶の解析装置を開発した。マウスの作業記憶能力がほぼ自動で測定できるようになり、効率よく実験をすすめることが可能となった。2019年度は本装置を利用し、課題１で明らかにした経路の神経活動を薬理学的手法により制御し、作業記憶にどのような影響が見られるのか解析する。
課題３では、上記で確立した技術を発達障害モデルマウスに応用し、モデルマウスの脳で小脳－前頭前野間の結合経路にどのような変化が見られるのか明らかにする。課題１で確立する技術を用い、モデルマウスでみられる投射経路を野生型マウスの結果と比較し、変化の有無を検証する。
以上の３課題から得られた知見を統合し、小脳-前頭前野間の機能的結合が発達障害の病態に果たす役割について考察する。
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[Journal Article] Genome Wide Distribution of Linker Histone H1.0 is Independent of MeCP2. Nature Neuroscience.2018
Author(s)
Ito-Ishida A, Yamalanchili HK, Shao Y, Baker SA, Heckman LD, Lavery LA, Kim J, Lombardi LM, Sun Y, Liu Z, Zoghbi HY.
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Journal Title
Nature Neuroscience
Volume: 21
Pages: 794-798
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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