Decoding of time-dependent structural changes in microglia and intervening in biological functions

• Project Area: Glia decoding: deciphering information critical for brain-body interactions
• Project/Area Number: 20H05897
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: National Center of Neurology and Psychiatry (2024); The University of Tokyo (2020-2023)
• Principal Investigator: 小山 隆太 国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター, 神経研究所 疾病研究第二部, 部長 (90431890)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥114,010,000 (Direct Cost: ¥87,700,000、Indirect Cost: ¥26,310,000); Fiscal Year 2024: ¥12,350,000 (Direct Cost: ¥9,500,000、Indirect Cost: ¥2,850,000); Fiscal Year 2023: ¥12,480,000 (Direct Cost: ¥9,600,000、Indirect Cost: ¥2,880,000); Fiscal Year 2022: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000); Fiscal Year 2021: ¥12,870,000 (Direct Cost: ¥9,900,000、Indirect Cost: ¥2,970,000); Fiscal Year 2020: ¥63,700,000 (Direct Cost: ¥49,000,000、Indirect Cost: ¥14,700,000)
• Keywords: ミクログリア / アストログリア / 細胞相互作用 / シナプス / 貪食 / ライブイメージング / ネットワーク / シナプス貪食 / アストロサイト / トリパータイトシナプス / 4者間シナプス / ミクログリアルネットワーク

Outline of Research at the Start

本研究は、脳内の複数の機能要素（神経回路、グリア、血管など）の統合メカニズムを探索し、末梢臓器や全身レベルでの応答と関連付けることで領域全体の推進と当該学問分野の変革を目指す。また、特に、脳機能の要となる神経回路の形成・成熟におけるミクログリア・アストログリア・神経細胞間の相互作用によって生じる、ミクログリアの細胞構造変化・細胞内シグナリング変化・遺伝子発現変化を3つの主要な情報としてデコーディングする。

Outline of Annual Research Achievements

本年度の研究目標は、Glioneuronal unit（GNU）培養系におけるニューロン（特にシナプス領域）とミクログリアやアストログリアの相互作用をライブイメージングし、これらの細胞活動や動態を光刺激によって操作する手法を確立することであった。具体的には、細胞内局所カスパーゼ活性の誘導やシナプス付近でのケージド化合物の放出を行い、グリア突起構造やシナプス活動の操作を通じて、グリアとシナプスの相互作用の変化を検証した。また、GNU培養系からの細胞ピックアップ法の洗練も目指し、ライブイメージング中に標的細胞の遺伝子発現解析を行う技術を進化させた。
本年度の研究で、光刺激を利用した局所的シグナリング調節を実現し、細胞間相互作用のダイナミクスを詳細に理解する上で重要な洞察を得た。特に、シナプス領域でのカスパーゼ活性化は、ミクログリアによるシナプス貪食メカニズムの解明に貢献した。さらに、特定の細胞をピックアップして遺伝子発現を解析する技術についても基盤を確立し、これにより個々の細胞の機能的状態をより深く理解できるようになった。
以上の成果は、神経科学の分野において重要な手法を提供し、神経回路のダイナミクスの理解を深めるための新たな基盤を築いた。光刺激による細胞操作技術の確立と細胞ピックアップ法の改善は、今後の研究で重要な役割を果たすだろう。

Current Status of Research Progress

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

Reason

おおむね順調に進展しているとした理由は、本年度における重要な技術的進歩と具体的な成果に基づくものである。全体の計画では、Glioneuronal unit（GNU）培養系を用いて、ニューロンとグリア細胞（特にミクログリアとアストログリア）間の相互作用を解明し、これを脳の健康および病態におけるミクログリアの役割へと結び付けることを目指していた。
本年度の研究で特に成果を挙げたのは、シナプス領域とミクログリアやアストログリアの相互作用をライブイメージングする技術の確立である。これにより、シナプス形成と機能におけるミクログリアの動態やアストログリアの役割をリアルタイムで観察し、その生理的プロセスへの貢献を明らかにした。特に、GNUにおける、光刺激による細胞活動の操作技術を開発し、これを用いて細胞内局所カスパーゼ活性など、特定の生物学的プロセスを精密に調節することに成功した。
これらの技術進歩は、ミクログリアとアストログリアが脳内でどのように機能し、神経回路とどのように相互作用するかの理解を深めるためのものであり、さらにこれらの細胞が神経系の健康と病態にどう影響するかについての洞察を提供した。具体的な例として、シナプス活動の調節が神経回路の安定性や可塑性にどのように寄与するかを示す実験データを得ることができた。
これらの成果は、研究の初期段階で設定した目標に沿ったものであり、神経科学の分野における基本的な理解を進めると同時に、将来的な治療戦略の開発に向けた基盤を築いている。研究のこの段階で得られた知見は、研究計画における中核的な問いに対して有意義な回答を提供しており、計画通りに順調に進展していると評価する根拠となる。

Strategy for Future Research Activity

今後は、ミクログリアの多様性及びその生体制御への影響を統合的に解釈するための知見を提供することを目指す。具体的には、ミクログリア、アストログリア、神経細胞間の相互作用によって引き起こされる細胞構造変化、細胞内シグナリング変化、遺伝子発現変化をデコーディングし、これらの変化がミクログリアの機能にどのように影響を与えるかを明らかにする。これを実現するため、確立した神経・グリア複合体培養(GNU)システム、先進のイメージング技術、細胞内シグナリング解析、そして遺伝子発現解析といった手法を駆使して研究を進める。
特に、超解像ライブイメージング技術を用いてミクログリアの細胞構造変化をリアルタイムで観察し、ミクログリアが神経細胞や他のグリア細胞とどのように相互作用するかの詳細を把握する。シナプス間の相互作用や病理的状況下での細胞反応を中心に研究し、特定の細胞内シグナリングイベントの可視化を通じて、これらがどのように細胞の動態を誘導するかを詳細に追跡する。さらに、GNU培養から単一細胞のRNAシーケンスデータを取得し、GNUの実験系としての確度を高める。これらのデータは細胞機能と細胞内シグナリングの相関から解釈され、ミクログリアの機能的多様性とその生物学的重要性を理解するために利用される。
今後の推進方策として、最終年度の研究成果を集約し、これまでの研究成果を基にミクログリアの役割を全体的に評価する。研究成果の社会への還元としては、科学的な知見を国際学会や学術雑誌で発表し、広く情報を共有する。また、一般向けのセミナーやワークショップを通じて、ミクログリア研究の重要性と成果を啓発する活動も行う。これにより、神経科学の分野だけでなく、一般社会においてもミクログリアの研究がもたらす影響についての理解を深めることが目標である。

Research Products

• [Journal Article] Synaptic phagocytosis by multiple glial cell types (2023)
  • Author(s): 河野玲奈、池谷裕二、小山隆太
  • Journal Title: Folia Pharmacologica Japonica Volume: 158 Issue: 5 Pages: 348-352
  • DOI: 10.1254/fpj.23004
  • ISSN: 0015-5691, 1347-8397
  • Year and Date: 2023-09-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Microglia induce auditory dysfunction after status epilepticus in mice (2023)
  • Author(s): Araki Tasuku、Hiragi Toshimitsu、Kuga Nahoko、Luo Cong、Andoh Megumi、Sugao Kohtaroh、Nagata Hidetaka、Sasaki Takuya、Ikegaya Yuji、Koyama Ryuta
  • Journal Title: Glia Volume: 72 Issue: 2 Pages: 274-288
  • DOI: 10.1002/glia.24472
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Microglia and GABA, Diverse functions of microglia beyond GABA-receiving cells.   (2023)
  • Author(s): Andoh M, and Koyama R
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: 187 Pages: 52-57
  • DOI: 10.1016/j.neures.2022.09.008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Replacement of Mouse Microglia With Human Induced Pluripotent Stem Cell (hiPSC)-Derived Microglia in Mouse Organotypic Slice Cultures (2022)
  • Author(s): Ogaki Ari、Ikegaya Yuji、Koyama Ryuta
  • Journal Title: Frontiers in Cellular Neuroscience Volume: 16 Pages: 918442-918442
  • DOI: 10.3389/fncel.2022.918442
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermosensitive receptors in neural stem cells link stress-induced hyperthermia to impaired neurogenesis via microglial engulfment (2021)
  • Author(s): Hoshi Yutaka、Shibasaki Koji、Gailly Philippe、Ikegaya Yuji、Koyama Ryuta
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Issue: 48
  • DOI: 10.1126/sciadv.abj8080
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Comparative Review of Microglia and Monocytes in CNS Phagocytosis (2021)
  • Author(s): Andoh Megumi、Koyama Ryuta
  • Journal Title: Cells Volume: 10 Issue: 10 Pages: 2555-2555
  • DOI: 10.3390/cells10102555
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Extracellular Vesicles Taken up by Astrocytes (2021)
  • Author(s): Ogaki Ari、Ikegaya Yuji、Koyama Ryuta
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 22 Issue: 19 Pages: 10553-10553
  • DOI: 10.3390/ijms221910553
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phagocytic Glial Cells in Brain Homeostasis (2021)
  • Author(s): Kono Rena、Ikegaya Yuji、Koyama Ryuta
  • Journal Title: Cells Volume: 10 Issue: 6 Pages: 1348-1348
  • DOI: 10.3390/cells10061348
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Assessing microglial dynamics by live imaging (2021)
  • Author(s): Andoh M, Koyama R.
  • Journal Title: Frontiers in Immunology Volume: - Pages: 605-605
  • DOI: 10.3389/fimmu.2021.617564
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microglia regulate synaptic development and plasticity (2021)
  • Author(s): Andoh M, Koyama R.
  • Journal Title: Developmental Neurobiology Volume: - Issue: 5 Pages: 568-590
  • DOI: 10.1002/dneu.22814
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Astrocytic cAMP modulates memory via synaptic plasticity (2021)
  • Author(s): Zhou Zhiwen、Okamoto Kazuki、Onodera Junya、Hiragi Toshimitsu、Andoh Megumi、Ikawa Masahito、Tanaka Kenji F.、Ikegaya Yuji、Koyama Ryuta
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 118 Issue: 3 Pages: 2016584118-2016584118
  • DOI: 10.1073/pnas.2016584118
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Understanding glia-synapse interactions AS REAL AS POSSSIBLE in vitro (2024)
  • Author(s): Ryuta Koyama
  • Organizer: Emerging Functionality of Cultured Neurons
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] グリア細胞による脳の構造と機能の維持 (2024)
  • Author(s): 小山 隆太
  • Organizer: 免疫若手アカデミー勉強会（日本免疫学会）
  • Invited
• [Presentation] てんかん発症とグリア細胞 (2024)
  • Author(s): 小山 隆太
  • Organizer: Epilepsy seminar
  • Invited
• [Presentation] Redefining synaptic dynamics: unveiling the role of glia in glioneuronal complexes through advanced culture systems and imaging techniques (2023)
  • Author(s): Ryuta Koyama
  • Organizer: The 50th Naito Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Localized caspase activity regulates microglial synaptic phagocytosis (2023)
  • Author(s): Ryuta Koyama
  • Organizer: Young Glia Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neuronal activity-dependent non-lethal caspase activity guides microglial synaptic phagocytosis and neuronal circuit remodeling (2023)
  • Author(s): Ryuta Koyama
  • Organizer: FAOPS2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] グリア細胞を起点としたてんかん脳における神経機能障害 (2023)
  • Author(s): 小山 隆太
  • Organizer: 第97回日本薬理学会年会
• [Presentation] てんかん脳におけるシナプスE/Iバランス破綻へのマイクログリアの役割 (2023)
  • Author(s): 安藤 めぐみ、小山 隆太
  • Organizer: 第56回日本てんかん学会
• [Presentation] てんかん病態と神経ネットワーク形成をつなぐグリアの役割 (2023)
  • Author(s): 小山 隆太
  • Organizer: 第56回日本てんかん学会
• [Presentation] ミクログリアによる脳の恒常性維持とその破綻としての脳疾患 (2023)
  • Author(s): 小山 隆太
  • Organizer: 第50回日本毒性学会学術年会
• [Presentation] アストロサイトを創薬標的としたてんかん発作抑制の試み (2023)
  • Author(s): 小山 隆太
  • Organizer: 第65回日本小児神経学会学術集会
• [Presentation] リア神経ユニットにおける細胞間相互作用解析と脳腫瘍研究への応用 (2023)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 脳腫瘍とてんかんWEBセミナー
  • Invited
• [Presentation] Glioneuronal unitにおける細胞間相互作用の可視化とメカニズム解析 (2023)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: EVIDENT CREATIVE FORUM 2023
  • Invited
• [Presentation] グリア神経ユニットにおける細胞間相互作用解析と脳腫瘍研究への応用 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第40回日本脳腫瘍学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 熱性けいれんによるシナプスE/Iバランス破綻へのマイクログリアの関与 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第5回小児てんかん丸太会学術講演会
  • Invited
• [Presentation] グリア・神経相互作用の多角的研究 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第45回星薬科大学大学院研究科助手会
  • Invited
• [Presentation] Glioneuronal unitにおけるグリアの役割 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 医学研セミナー
  • Invited
• [Presentation] グリア神経複合体におけるマイクログリアの役割の解明 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第44回神経組織培養研究会
  • Invited
• [Presentation] グリア・神経複合体におけるマイクログリアの多様な機能 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: Neuro 2022
  • Invited
• [Presentation] グリア・神経複合体のライブイメージング (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: Neuro 2022
  • Invited
• [Presentation] Diverse function of microglia in glioneuronal unit (2022)
  • Author(s): Ryuta Koyama
  • Organizer: Heterogeneity of Glial Functions in Development and Disease
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Local apoptosis promotes complement tagging of synapses for microglial phagocytosis (2022)
  • Author(s): Ryuta Koyama
  • Organizer: ISN-APSN 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optogenetic manipulation of astrocytic cAMP to modulate memory (2022)
  • Author(s): Ryuta Koyama
  • Organizer: 8th Mediterranean Neuroscience Society Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 脳内のグリア細胞によるシナプス制御機構の研究 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第2回日本医学会連合 Rising Starリトリート
• [Presentation] TRPV4による成体脳神経新生調節へのマイクログリアの関与 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第100回日本生理学会大会
• [Presentation] 小児期の赤血球貪食によるマイクログリアのヘテロ性の創出 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第95回日本生化学会大会
• [Presentation] グリア神経ユニットにおける細胞間相互作用のイメージング (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第65回シンポジウム
• [Presentation] 貪食に伴って変化するミクログリア情報のデコーディング (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第64回日本小児神経学会学術集会
• [Presentation] てんかん原性におけるグリア細胞の関与 (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第63回京奈良滋賀てんかん懇話会
  • Invited
• [Presentation] Functional morphology of microglia and beyond (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: Neuro Global Online Seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Local apoptosis promotes complement tagging of highly-active synapses for microglial phagocytosis (2022)
  • Author(s): 安藤めぐみ、小山隆太
  • Organizer: 第95回日本生理学会
  • Invited
• [Presentation] 貪食に伴って変化するミクログリア情報のデコーディング (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第95回日本薬理学会
  • Invited
• [Presentation] グリアを使って病気を治す (2022)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第95回日本薬理学会・市民公開講座
  • Invited
• [Presentation] マイクログリア形態とその機能 (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 大阪大学・ニコンイメージングセンター シリーズセミナー
  • Invited
• [Presentation] 形態から読み出すミクログリア機能 (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第3回形態解析ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] マイクログリアが持つ情報の読み出し (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 脳科学若手の会
  • Invited
• [Presentation] てんかん脳におけるシナプス変性とマイクログリア (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第41回三重てんかん研究会
  • Invited
• [Presentation] てんかん原性獲得におけるマイクログリア依存的なシナプス除去機構 (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第45回日本てんかん外科学会
  • Invited
• [Presentation] The role of erythrophagocytosis by microglia in brain development (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会
  • Invited
• [Presentation] 外因性微粒子の脳内動態におけるマイクログリアの関与機構の解明 (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第94回日本生化学大会
  • Invited
• [Presentation] 発達期海馬のミクログリアによる抑制性シナプス貪食とてんかん原性の獲得 (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第54回日本てんかん学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] マイクログリアによる抑制性シナプス特異的な貪食とてんかん原性の獲得 (2021)
  • Author(s): 安藤めぐみ、小山隆太
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
  • Invited
• [Presentation] 神経回路形成におけるマイクログリアの役割 (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第74回日本小児神経学会関東地方会
  • Invited
• [Presentation] てんかんとグリア (2021)
  • Author(s): 小山隆太
  • Organizer: 第15回てんかん学研修セミナー
  • Invited