温度による行動制御の基盤となる快・不快情動生成機構の解明

• Project Area: Integrative understanding of biological phenomena with temperature as a key theme
• Project/Area Number: 15H05934
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 南 雅文 北海道大学, 薬学研究院, 教授 (20243040)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 柴崎 貢志 群馬大学, 大学院医学系研究科, 准教授 (20399554)
• Project Period (FY): 2015-06-29 – 2020-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥144,820,000 (Direct Cost: ¥111,400,000、Indirect Cost: ¥33,420,000); Fiscal Year 2019: ¥25,610,000 (Direct Cost: ¥19,700,000、Indirect Cost: ¥5,910,000); Fiscal Year 2018: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000); Fiscal Year 2017: ¥25,350,000 (Direct Cost: ¥19,500,000、Indirect Cost: ¥5,850,000); Fiscal Year 2016: ¥25,610,000 (Direct Cost: ¥19,700,000、Indirect Cost: ¥5,910,000); Fiscal Year 2015: ¥42,510,000 (Direct Cost: ¥32,700,000、Indirect Cost: ¥9,810,000)
• Keywords: 脳・神経 / 神経科学 / 環境 / 温度 / 情動 / 行動

Outline of Annual Research Achievements

これまでに神経活動マーカーcFosの免疫染色により、暑熱・寒冷環境において視床室傍核が活性化することを明らかにしてきた。本年度は、視床室傍核の下流経路を明らかにするため、快・不快情動に関与する側坐核、扁桃体中心核、分界条床核に着目し、これらの脳領域に投射する神経細胞を逆行性に標識した。その後、暑熱・寒冷環境暴露による視床室傍核での神経細胞活性化をcFos免疫染色により可視化した。暑熱・寒冷環境暴露により側坐核、分界条床核、扁桃体中心核に投射する視床室傍核神経細胞が活性化することが明らかとなった。定量的な解析を行ったところ、視床室傍核のcFos陽性神経のうち、側坐核、分界条床核、扁桃体中心核に投射しているものは、暑熱環境では、56.1％、50.5％、20.9％、寒冷環境では、40.0％、48.1％、24.0％であった。さらに、暑熱・寒冷環境曝露中の視床室傍核の神経活動を小型蛍光顕微鏡を用いたカルシウムイメージング法によりリアルタイムに計測する実験系を構築した。また、領域内の坂口班との連携により、温度感受性蛍光プローブtsGFPを活用した脳内温度計測法の開発に着手した。2019年度の研究において、ファイバーフォトメトリー法により温度選択行動中の動物の脳内温度変化と神経活動変化を同時計測する実験系を構築することを目指す。脳浮腫領域では乳酸アシドーシスに伴う約２℃の異常発熱が起こっており、これがTRPV4を異常活性化させ浮腫病態を増悪することを見いだした（岡部班との連携成果）。また、グリア細胞が浮腫を起こした際に、体温にプラスして浮腫に伴う膜伸展刺激が生じることがTRPV4の異常活性化を引き起こし、サイトカイン放出を惹起し、神経細胞死を引き起こすことを見いだした（ルーベン大学・ユタ大学との国際連携研究成果）。

Current Status of Research Progress

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

Reason

暑熱・寒冷環境暴露により側坐核、分界条床核、扁桃体中心核に投射する視床室傍核神経細胞が活性化することを明らかとし、定量的な解析も行った。さらに、暑熱・寒冷環境曝露中の視床室傍核の神経活動を小型蛍光顕微鏡を用いたカルシウムイメージング法によりリアルタイムに計測する実験系を構築した。また、領域内の坂口班との連携により、温度感受性蛍光プローブtsGFPを活用した脳内温度計測法の開発に着手した。2019年度の研究において、ファイバーフォトメトリー法により温度選択行動中の動物の脳内温度変化と神経活動変化を同時計測する実験系を構築することを目指す。脳浮腫領域では乳酸アシドーシスに伴う約２℃の異常発熱が起こっており、これがTRPV4を異常活性化させ浮腫病態を増悪することを見いだした（岡部班との連携成果）。また、グリア細胞が浮腫を起こした際に、体温にプラスして浮腫に伴う膜伸展刺激が生じることがTRPV4の異常活性化を引き起こし、サイトカイン放出を惹起し、神経細胞死を引き起こすことを見いだした（ルーベン大学・ユタ大学との国際連携研究成果）。以上より、研究はおおむね順調に進展していると判断できる。

Strategy for Future Research Activity

神経活動マーカーc-Fosの発現解析により、視床室傍核から快・不快情動生成に関与する側坐核、分界条床核、扁桃体中心核に投射する神経が暑熱・寒冷環境曝露により活性化することを明らかにしている。しかしながら、c-Fosタンパク質発現を指標とした免疫組織学的解析では、時間分解能が低く神経細胞活性化の時間経過を詳細に解析することが困難であり、また、暑熱環境曝露と寒冷環境曝露で同じ神経細胞が活性化するのか、あるいは、刺激により異なった神経細胞が活性化するのかについても明らかにすることができない。そこで今年度の研究では、小型蛍光顕微鏡を用いて、暑熱・寒冷環境曝露中の神経活動をカルシウムイメージングによりリアルタイムに計測する。この方法により１つ１つの神経細胞の活動を経時的に記録することができ、各神経細胞がどのような刺激により、どのような時間経過で活性化するのかを明らかにすることができる。さらに、昨年度に引き続き、領域内の共同研究により温度感受性蛍光プローブtsGFPを活用した脳内温度計測法を開発する。ファイバーフォトメトリー法を用いて、温度選択行動中の動物の脳内温度変化と神経活動変化の同時計測を試みる。研究分担者の柴崎は、培養アストロサイトにおける温度感受性蛍光プローブtsGFPの温度計測機能を検証するとともに、アストロサイト特異的TRPV4ノックアウトマウスの急性海馬スライス標本を用いて、カルシウム活動・細胞代謝・細胞内温度に野生型マウスとの違いがどの程度あるのかを調べる。カルシウム活動はYC nano3.1、細胞代謝はGO-ATeamを用いたFRET計測にて調べる。細胞内温度分布はFPTあるいはtsGFPによる蛍光変化計測にて調べる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Leuven大学(ベルギー)
• [Journal Article] The dynamics of revascularization after white matter infarction monitored in Flt1-tdsRed and Flk1-GFP mice. (2019)
  • Author(s): Shimauchi-Ohtaki Hiroya、Kurachi Masashi、Naruse Masae、Shibasaki Koji、Sugio Shouta、Matsumoto Ken、Ema Masatsugu、Yoshimoto Yuhei、Ishizaki Yasuki
  • Journal Title: Neurosci. Lett. Volume: 692 Pages: 70-76
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2018.10.057
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Activation of the neural pathway from the dorsolateral bed nucleus of the stria terminalis to the central amygdala induces anxiety-like behaviors (2018)
  • Author(s): Naoki Yamauchi, Daiki Takahashi, Yae K. Sugimura, Fusao Kato, Taiju Amano, Masabumi Minami
  • Journal Title: European Journal of Neuroscience Volume: 48 Pages: 3052-3061
  • DOI: 10.1111/ejn.14165
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Exposure to hot and cold environments increases noradrenaline release in the bed nucleus of the stria terminalis in rats (2018)
  • Author(s): Saki Minami, Hiroshi Nomura, Masabumi Minami
  • Journal Title: Neuropsychopharmacology Reports Volume: 38 Pages: 214-218
  • DOI: 10.1002/npr2.12036
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Retinal Detachment-Induced Muller Glial Cell Swelling Activates TRPV4 Ion Channels and Triggers Photoreceptor Death at Body Temperature (2018)
  • Author(s): Matsumoto H, Sugio S, Krizaj D, Akiyama H, Ishizaki Y, Gailly P, Shibasaki K
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Volume: 38 Pages: 8745-8758
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0897-18.2018
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ischemic Brain Injury Leads to Brain Edema via Hyperthermia-Induced TRPV4 Activation (2018)
  • Author(s): Yutaka Hoshi, Kohki Okabe, Koji Shibasaki, Takashi Funatsu, Norio Matsuki, Yuji Ikegaya, Ryuta Koyama
  • Journal Title: The Journal of Neuroscience Volume: 38 Pages: 5700-5709
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2888-17.2018
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] TRPV4 is functionally expressed in oligodendrocyte precursor cells and increases their proliferation. (2018)
  • Author(s): Ohashi Kana、Deyashiki Ayane、Miyake Takahito、Nagayasu Kazuki、Shibasaki Koji、Shirakawa Hisashi、Kaneko Shuji
  • Journal Title: Pflügers Archiv Volume: 470 Pages: 705-716
  • DOI: 10.1007/s00424-018-2130-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Involvement of TRPV3 and TRPM8 ion channel proteins in induction of mammalian cold-inducible proteins. (2018)
  • Author(s): Fujita Takanori、Liu Yu、Higashitsuji Hiroaki、Itoh Katsuhiko、Shibasaki Koji、Fujita Jun、Nishiyama Hiroyuki
  • Journal Title: Biochem Biophys Res. Commun. Volume: 495 Pages: 935-940
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2017.11.136
  • NAID: 120006454814
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Shibasaki K, Hosoi N, Kaneko R, Tominaga M, Yamada K. (2017)
  • Author(s): Shibasaki K, Hosoi N, Kaneko R, Ishizaki Y, Yamada K
  • Journal Title: J Neurochem. Volume: 140 Pages: 395-403
  • DOI: 10.1111/jnc.13741
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Transient receptor potential vanilloid 2 activation by focal mechanical stimulation requires interaction with the actin cytoskeleton and enhances growth cone motility. (2017)
  • Author(s): Sugio S, Nagasawa M, Kojima I, Ishizaki Y, Shibasaki K
  • Journal Title: FASEB J. Volume: 31 Pages: 1368-1381
  • DOI: 10.1096/fj.201600686rr
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Activation of adenylate cyclase-cyclic AMP-protein kinase A signaling by corticotropin-releasing factor within the dorsolateral bed nucleus of the stria terminalis is involved in pain-induced aversion. (2016)
  • Author(s): Kaneko T, Kaneda K, Ohno A, Takahashi D, Hara T, Amano T, Ide S, Yoshioka M, Minami M
  • Journal Title: European Journal of Neuroscience Volume: 44 Pages: 2914-2924
  • DOI: 10.1111/ejn.13419
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Physiological significance of TRPV2 as a mechanosensor, thermosensor and lipidsensor. (2016)
  • Author(s): Shibasaki K
  • Journal Title: J. Physiol. Sci. Volume: 未定 Pages: 359-365
  • DOI: 10.1007/s12576-016-0434-7
  • NAID: 40020922484
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] TRPV4 ion channel as important cell sensors. (2016)
  • Author(s): Shibasaki K
  • Journal Title: J. Anesthesia. Volume: 30 Pages: 1014-1019
  • DOI: 10.1007/s00540-016-2225-y
  • NAID: 40021034783
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Retinal detachment-induced Muller glial cell swelling activates TRPV4 ion channels and triggers photoreceptor death at body temperature. (2019)
  • Author(s): Shibasaki K, Matsumoto H, Sugio S, Krizaj D, Akiyama H, Ishizaki Y, Gailly P.
  • Organizer: The 9th Federation of Asian and Oceanian Physiological Societies Congress
• [Presentation] TRPV4 activation triggers ATP release from Muller glial cells. (2019)
  • Author(s): Sugio S, Oda M, Ishizaki Y, , Shibasaki K
  • Organizer: The 9th Federation of Asian and Oceanian Physiological Societies Congress
• [Presentation] Retinal detachment-induced Muller glial cell swelling activates TRPV4 ion channels and triggers photoreceptor death at body temperature. (2018)
  • Author(s): Shibasaki K, Matsumoto H, Sugio S, Krizaj D, Akiyama H, Ishizaki Y, Gailly P
  • Organizer: ARVO annual meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] メカノセンサーTRPV2が軸索伸長を促す分子基盤 (2018)
  • Author(s): 柴崎貢志、杉尾翔太、岡部弘基、岩田裕子、小野勝彦、石崎泰樹
  • Organizer: 第41回日本神経科学会
• [Presentation] グリア細胞においてはTRPV4活性化によりATP放出が惹起する (2018)
  • Author(s): 杉尾翔太、織田麻衣、石崎泰樹、柴崎貢志
  • Organizer: 第41回日本神経科学会
• [Presentation] Mechanosensor function of TRPV2 is sensitized by high temperature region in growth cones, and promotes axonal outgrowth during development. (2018)
  • Author(s): 織田麻衣、杉尾翔太、岡部弘基、岩田裕子、小野勝彦、石崎泰樹、柴崎貢志
  • Organizer: 第61回日本神経化学会
• [Presentation] 成長円錐内の高温部位がTRPV2活性化と軸索伸長を促進する (2018)
  • Author(s): 柴崎貢志
  • Organizer: 第91回日本生化学学会
• [Presentation] 脳内温度による神経活動の向上；温度センサーTRPV4の重要性 (2017)
  • Author(s): 柴崎貢志
  • Organizer: 第94回日本生理学会
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松（静岡県・浜松市）
  • Year and Date: 2017-03-28
• [Presentation] Study on the neural mechanisms underlying the preference and aversion to environmental temperature (2017)
  • Author(s): 橘大輝、井門愛理、野村洋、南雅文
  • Organizer: 第６０回日本神経化学大会
• [Presentation] 網膜剥離後の視細胞死にはミュラーグリアのTRPV4活性化が関与する (2016)
  • Author(s): 柴崎貢志、杉尾翔太、石崎泰樹、松本英孝
  • Organizer: 第59回日本神経化学会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県・福岡市）
  • Year and Date: 2016-09-08
• [Presentation] メカノセンサーTRPV2による神経回路形成の制御 (2016)
  • Author(s): 杉尾翔太、石崎泰樹、柴崎貢志
  • Organizer: 第59回日本神経化学会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県・福岡市）
  • Year and Date: 2016-09-08
• [Presentation] TRPV2 activation requires interaction with the actin cytoskeleton and enhances growth cone motility. (2016)
  • Author(s): Shibasaki K, Sugio S, Nagasawa M, Kojima I, Ishizaki Y
  • Organizer: 10th FENS Forum of Neuroscience
  • Place of Presentation: コペンハーゲン（デンマーク）
  • Year and Date: 2016-07-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CRFによる分界条床核Ⅲ型神経細胞での抑制性シナプス伝達促進 (2015)
  • Author(s): 長野雄介、金田勝幸、圓山智嘉史、井手聡一郎、加藤総、南雅文
  • Organizer: 第45回日本神経精神薬理学会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀（東京都・江戸川区）
  • Year and Date: 2015-09-24
• [Presentation] CRFによる背外側分界条床核II型神経細胞の興奮性亢進に関与する細胞内情報伝達 (2015)
  • Author(s): 兼子朋之、原大樹、井手聡一郎、金田勝幸、南雅文
  • Organizer: 第58回日本神経化学会大会
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティホール（埼玉県・さいたま市）
  • Year and Date: 2015-09-11
• [Presentation] Role of nitric oxide within the ventral bed nucleus of the stria terminalis in pain-induced aversion. (2015)
  • Author(s): 菅野矢耶、出山諭司、森さくら、井手聡一郎、吉岡充弘、金田勝幸、南雅文
  • 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
• [Remarks] 北海道大学 大学院薬学研究院 医療薬学部門 医療薬学分野 薬理学研究室
  • URL: http://www.pharm.hokudai.ac.jp/yakuri/index.html
• [Remarks] 北海道大学大学院薬学研究院 医療薬学部門 医療薬学分野 薬理学研究室
  • URL: http://www.pharm.hokudai.ac.jp/yakuri/index.html