シナプス操作によるPTSDの構成的理解

• Project Area: Constructive understanding of multi-scale dynamism of neuropsychiatric disorders
• Project/Area Number: 18H05434
• 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: Kyoto University
• Principal Investigator: 林 康紀 京都大学, 医学研究科, 教授 (90466037)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 喜田 聡 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (80301547)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥171,990,000 (Direct Cost: ¥132,300,000、Indirect Cost: ¥39,690,000); Fiscal Year 2022: ¥33,670,000 (Direct Cost: ¥25,900,000、Indirect Cost: ¥7,770,000); Fiscal Year 2021: ¥33,670,000 (Direct Cost: ¥25,900,000、Indirect Cost: ¥7,770,000); Fiscal Year 2020: ¥33,670,000 (Direct Cost: ¥25,900,000、Indirect Cost: ¥7,770,000); Fiscal Year 2019: ¥33,670,000 (Direct Cost: ¥25,900,000、Indirect Cost: ¥7,770,000); Fiscal Year 2018: ¥37,310,000 (Direct Cost: ¥28,700,000、Indirect Cost: ¥8,610,000)
• Keywords: 記憶固定化 / シナプス可塑性 / 大脳皮質 / 海馬 / 記憶痕跡 / PTSD / 恐怖記憶 / 記憶再固定化 / 光増感法 / コフィリン / 前頭前野 / 光操作 / 外傷後ストレス症候群 / 記憶学習 / カルシウムイメージング / シナプス光操作 / CALI / 細胞骨格

Outline of Annual Research Achievements

記憶は、記憶された出来事や文脈に再暴露されると、一旦不安定となるが、再度シナプスの可塑的変化が起こることにより強化される。この現象は記憶再固定化としられる。これが異常に亢進し、恐怖記憶が本来結び付けられる筈のない記憶と結びついた状態がPTSDや恐怖症であると考えられる。我々はこれまでに再固定化の神経回路機構に興味を持ち、どの脳領域でシナプスの可塑性が起こっているかを検討した。このために光増感タンパク質を用い、LTPを選択的に解除する新規光遺伝学的手法を立ち上げた。これは光増感法により細胞骨格タンパク質で、LTP誘導によりシナプスに集積しアクチンを安定化するコフィリン不活化するものである。予備実験にて海馬にこれを用いたところ、再固定化によって強化された記憶を再固定化前のレベルまで消去することに成功している。しかし完全に記憶を消去するには至らなかった。再暴露までに記憶が海馬から他の脳領域に固定化されているためと考えられる。

恐怖記憶想起中や想起後の海馬CA1領域や前頭前野における記憶エングラムの活性を光遺伝学的に操作することで、恐怖条件づけ文脈記憶及び受動的回避記憶消去誘導のメカニズムの解析を進めた。前年度に同定した海馬において恐怖記憶消去様の行動変化を誘導する刺激パターンによる行動変化の性状を解析し、消去と同様に遺伝子発現依存的であること、また、消去と同等の生化学的変化が起こることが明らかとなった。一方、PTSDとcAMP情報伝達が関連すると考え、cAMP情報伝達を操作する光プローブを海馬に発現させて恐怖条件づけ文脈記憶に対する影響を解析した結果、cAMP濃度上昇によって恐怖記憶想起と再固定化が増進され、一方、cAMP濃度低下によってこれらが阻害されることとが明らかとなった。さらに、RNA-Seq解析を実施し、想起後の恐怖記憶増強に関与するcAMP情報伝達因子群の同定を試みた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

仮説から予想された結果が出つつあるため。

Strategy for Future Research Activity

そこで、一旦固定化された異常な恐怖記憶の完全消去を目指し、脳のどの領域で再固定化が起こるかを検証する。このため、Arc-GFPの発現あるいはシナプスでのGFP融合コフィリンの集積を指標に、恐怖記憶に対する再固定化が起きる領域を全脳で検索していく。当初の記憶から記憶事象への再暴露の時間間隔によって、関与する脳部位が異なる可能性があるので、記憶後1日から5週間の時間間隔をとる。Arc-GFPの発現やGFP-コフィリンの集積でシナプス可塑性が起こっていそうな領域が絞られれば、その領域に上記の光遺伝学的ツールを発現し、光照射により記憶が完全に消去できるかを検討していく。一方、シナプス可塑性が起こっているかはシナプス反応のAMPA受容体反応/NMDA受容体反応の比を取ることにより確認する。これにより、PTSDや恐怖症に対する治療法とレジリエンス向上を目的としていく。

恐怖記憶想起中や想起後の前頭前野における恐怖記憶関連のエングラムの活性を光遺伝学的に操作することで、記憶エングラムによる恐怖記憶再固定化と恐怖記憶消去の制御機構について引き続き解析する。また、PTSDの病態とcAMP情報伝達経路の過活性化が関連するとの仮説を立てて、前年度に引き続き、この仮説の検証を継続する。受動的回避反応課題では恐怖記憶想起により再固定化を介して恐怖記憶が増強されるため、この系における恐怖記憶増強に対するcAMP情報伝達経路の役割を解析する。前年度に引き続き、この系を用いたRNA-Seq解析を継続し、想起後に発現変動するcAMP情報伝達因子群の同定を進める。さらに、同定された遺伝子群とPTSD患者の血液から調整したRNAの遺伝子発現プロファイルと比較することで、PTSDの病態とcAMP情報伝達経路との関係性を解析する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Seoul National University(韓国)
• [Int'l Joint Research] University of Toronto(カナダ)
• [Journal Article] Anterior cingulate cortex projections to the dorsal hippocampus positively control the expression of contextual fear generalization (2022)
  • Author(s): Nagayoshi Taikai、Ishikawa Rie、Kida Satoshi
  • Journal Title: Learning & Memory Volume: 29 Issue: 3 Pages: 77-82
  • DOI: 10.1101/lm.053440.121
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The dopamine D2 agonist quinpirole impairs frontal mismatch responses to sound frequency deviations in freely moving rats (2021)
  • Author(s): Inaba Hiroyoshi、Namba Hisaaki、Kida Satoshi、Nawa Hiroyuki
  • Journal Title: Neuropsychopharmacology Reports Volume: － Issue: 3 Pages: 405-415
  • DOI: 10.1002/npr2.12199
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tumor necrosis factor α negatively regulates the retrieval and reconsolidation of hippocampus-dependent memory (2021)
  • Author(s): Takahashi Shohei、Fukushima Hotaka、Yu Zhiqian、Tomita Hiroaki、Kida Satoshi
  • Journal Title: Brain, Behavior, and Immunity Volume: 94 Pages: 79-88
  • DOI: 10.1016/j.bbi.2021.02.033
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dietary magnesium deficiency induces the expression of neuroinflammation-related genes in mouse brain (2021)
  • Author(s): R. Tsuji, H. Inoue, M. Uehara, S. Kida
  • Journal Title: Neuropsychopharmacology Reports Volume: - Issue: 2 Pages: 230-236
  • DOI: 10.1002/npr2.12167
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regulation of synaptic nanodomain by liquid?liquid phase separation: A novel mechanism of synaptic plasticity (2021)
  • Author(s): Liu Pin-Wu、Hosokawa Tomohisa、Hayashi Yasunori
  • Journal Title: Current Opinion in Neurobiology Volume: 69 Pages: 84-92
  • DOI: 10.1016/j.conb.2021.02.004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] CaMKII activation persistently segregates postsynaptic proteins via liquid phase separation (2021)
  • Author(s): Hosokawa Tomohisa、Liu Pin-Wu、Cai Qixu、Ferreira Joana S.、Levet Florian、Butler Corey、Sibarita Jean-Baptiste、Choquet Daniel、Groc Laurent、Hosy Eric、Zhang Mingjie、Hayashi Yasunori
  • Journal Title: Nature Neuroscience Volume: not yet Issue: 6 Pages: 777-785
  • DOI: 10.1038/s41593-021-00843-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Liquid-Liquid Phase Separation in Physiology and Pathophysiology of the Nervous System (2021)
  • Author(s): Hayashi Yasunori、Ford Lenzie K.、Fioriti Luana、McGurk Leeanne、Zhang Mingjie
  • Journal Title: The Journal of Neuroscience Volume: 41 Issue: 5 Pages: 834-844
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1656-20.2020
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modality-Specific Impairment of Hippocampal CA1 Neurons of Alzheimer’s Disease Model Mice (2021)
  • Author(s): Takamura Risa、Mizuta Kotaro、Sekine Yukiko、Islam Tanvir、Saito Takashi、Sato Masaaki、Ohkura Masamichi、Nakai Junichi、Ohshima Toshio、Saido Takaomi C.、Hayashi Yasunori
  • Journal Title: The Journal of Neuroscience Volume: 41 Issue: 24 Pages: 5315-5329
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0208-21.2021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stepwise synaptic plasticity events drive the early phase of memory consolidation (2021)
  • Author(s): Goto Akihiro、Bota Ayaka、Miya Ken、Wang Jingbo、Tsukamoto Suzune、Jiang Xinzhi、Hirai Daichi、Murayama Masanori、Matsuda Tomoki、McHugh Thomas J.、Nagai Takeharu、Hayashi Yasunori
  • Journal Title: Science Volume: 374 Issue: 6569 Pages: 857-863
  • DOI: 10.1126/science.abj9195
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ”Active transition of fear memory phases from fear to extinction” (2021)
  • Author(s): Satoshi Kida
  • Organizer: NEURONS IN ACTION 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fear Memory Processes as Therapeutic Targets for PTSD (2021)
  • Author(s): Satoshi Kida
  • Organizer: International Society for Traumatic Stress Studies (ISTTS) 37th Annual Meeting “Moving Beyond the Individual”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] トラウマ記憶の制御基盤の解明とPTSD治療方法開発への応用 (2021)
  • Author(s): Satoshi Kida
  • Organizer: 生体機能と創薬シンポジウム2021
  • Invited
• [Presentation] 動物モデルから理解する心的外傷後ストレス障害とその治療方法 (2021)
  • Author(s): Satoshi Kida
  • Organizer: PTSDの生物学的理解と治療開発
  • Invited
• [Presentation] 恐怖記憶の制御基盤の解明とPTSD治療方法開発への応用 (2021)
  • Author(s): Satoshi Kida
  • Organizer: 第43回日本生物学的精神医学会・第51回日本神経精神薬理学会 合同年会、国立京都国際会館
  • Invited
• [Presentation] 恐怖記憶制御基盤の解明とPTSD治療方法への応用 (2021)
  • Author(s): Satoshi Kida
  • Organizer: 第13回不安症学会学術大会
  • Invited
• [Remarks]
  • URL: https://kida-lab.org
• [Remarks]
  • URL: http://glutamate.med.kyoto-u.ac.jp/j
• [Funded Workshop] Molecular Cellular Cognition Society Annual meeting (2021)