Studies on critical periods of synapse pruning in the developing cerebellum

• Project Area: Inducing lifelong plasticity (iPlasticity) by brain rejuvenation: elucidation and manipulation of critical period mechanisms
• Project/Area Number: 20H05915
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Teikyo University (2023-2024); The University of Tokyo (2020-2022)
• Principal Investigator: 狩野 方伸 帝京大学, 先端総合研究機構, 教授 (40185963)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 菅谷 佑樹 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 講師 (00625759)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥169,520,000 (Direct Cost: ¥130,400,000、Indirect Cost: ¥39,120,000); Fiscal Year 2024: ¥30,420,000 (Direct Cost: ¥23,400,000、Indirect Cost: ¥7,020,000); Fiscal Year 2023: ¥30,420,000 (Direct Cost: ¥23,400,000、Indirect Cost: ¥7,020,000); Fiscal Year 2022: ¥30,420,000 (Direct Cost: ¥23,400,000、Indirect Cost: ¥7,020,000); Fiscal Year 2021: ¥28,860,000 (Direct Cost: ¥22,200,000、Indirect Cost: ¥6,660,000); Fiscal Year 2020: ¥49,400,000 (Direct Cost: ¥38,000,000、Indirect Cost: ¥11,400,000)
• Keywords: シナプス刈り込み / 生後発達 / 小脳 / 登上線維 / プルキンエ細胞

Outline of Research at the Start

シナプス刈り込みは発達期の神経系において普遍的にみられ、大人の神経回路を作るための仕組みと考えられている。小脳の登上線維とプルキンエ細胞間のシナプスの生後発達は、シナプス刈り込みの代表例として広く認知されている。出生直後のマウス小脳のプルキンエ細胞は、5本以上の登上線維からほぼ同じ強さのシナプス入力を受けるが、このうち1本の登上線維からの入力のみが強くなり、その他の登上線維は除去されて、大人になると殆どのプルキンエ細胞が1本の強い登上線維からシナプス入力を受けるようになる。本研究では、これらの過程の分子細胞レベルおよび神経回路レベルのメカニズムを追求し、シナプス刈り込みの臨界期の解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

令和5年度は、P/Q型電位依存性カルシウムチャネル(P/Q-VDCC)によって活性化されると考えられる転写因子Zと、これを生後発達期のプルキンエ細胞においてノックダウンした場合に発現上昇するセマフォリン３Ａ（Sema3A）との関係を調べた。発達期のプルキンエ細胞において、ZのノックダウンとSema3Aの過剰発現を同時に行った際の登上線維シナプス刈り込みの障害の程度を、それぞれ単独の操作の場合と比較した。このため、生後4週目に小脳スライスを作製して、登上線維シナプス－プルキンエ細胞シナプスを電気生理学的に解析した。その結果、ZのノックダウンとSema3Aの過剰発現を同時に行った場合の登上線維シナプス刈り込みの障害の程度は、それぞれ単独の操作の場合と有意差がなかった。また、ZのノックダウンとSema3Aのノックダウンを同時に行うと、登上線維シナプス刈り込みの障害の程度が軽減した。これらから、Zはプルキンエ細胞のSema3Aの発現を抑制することにより、登上線維シナプス刈り込みを促進することが考えられた。
また、シナプス前部オーガナイザーのひとつであるPTPδが登上線維に存在することを免疫組織学的手法で解明した。PTPδノックアウトマウスでは、登上線維の樹状突起移行が障害されていたが、その程度は、小脳前葉の方が後葉に比べて強かった。また、小脳前葉において、登上線維刺激によるシナプス電流が減弱しており、生後3日から13日において、登上線維シナプス刈り込みが促進していた。また、PTPδを登上線維においてノックダウンすると、シナプス電流の減弱と刈り込みの促進がみとめられた。これらの結果から、主として小脳前葉においてPTPδが登上線維におけるシナプスオーガナイザーとして働き、登上線維プルキンエ細胞シナプス形成とその維持に関わると結論した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

転写因子Zに関しては、生後発達期のプルキンエ細胞において、Sema3Aの発現を抑制することによって、登上線維シナプス刈り込みを促進することを明らかにした。予定していたデータを全て取得し、論文をほぼ完成することができた。PTPδについては、これまでの結果をまとめて論文発表した。今後、PTPδと相互作用するシナプス後部オーガナイザー候補を検索する計画である。

Strategy for Future Research Activity

プルキンエ細胞において、PTPδと相互作用して登上線維シナプス発達に影響するシナプス後部オーガナイザー分子を探索する。このため、PTPδの結合候補分子を、子宮内電気穿孔法またはウイルスを用いたRNAiノックダウン法によって、発達期のマウスのプルキンエ細胞において欠損させる。これらのマウスにおいて、登上線維シナプスの形成や刈り込みに異常がみられるかを、新生児期から生後4週目まで電気生理学的・形態学的に調べる。
また、PTPδのヘミ接合体または変異が、自閉スペクトラム症や注意欠陥多動性障害などの発達障害の患者で報告されていることから、PTPδヘテロノックアウトマウスがこれらのモデルマウスとなりうるかどうかを調べる。このため、PTPδヘテロノックアウトマウスの成体において、精神疾患や発達障害に関連する網羅的行動解析を行う。また、小脳の異常が自閉スペクトラム症類似の症状を引き起こす可能性があることから、小脳の生後発達について、登上線維シナプスの発達に焦点を当て、電気生理学的・形態学的解析を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ミュンヘン工科大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] ミュンヘン工科大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] ミュンヘン工科大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] ミュンヘン工科大学(ドイツ)
• [Journal Article] Maturation of GABAergic Synaptic Transmission From Neocortical Parvalbumin Interneurons Involves N-methyl-D-aspartate Receptor Recruitment of Cav2.1 Channels (2023)
  • Author(s): Singh Mahendra、Sapkota Kiran、Sakimura Kenji、Kano Masanobu、Cowell Rita M、Overstreet-Wadiche Linda、Hablitz John J、Nakazawa Kazu
  • Journal Title: Neuroscience Volume: 513 Pages: 38
  • DOI: 10.1016/j.neuroscience.2023.01.007
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Distorted neurocomputation by a small number of extra-large spines in psychiatric disorders (2023)
  • Author(s): Obi-Nagata Kisho、Suzuki Norimitsu、Miyake Ryuhei、MacDonald Matthew L.、Fish Kenneth N.、Ozawa Katsuya、Nagahama Kenichiro、Okimura Tsukasa、Tanaka Shoji、Kano Masanobu、Fukazawa Yugo、Sweet Robert A.、Hayashi-Takagi Akiko
  • Journal Title: Science Advances Volume: 9 Issue: 23 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1126/sciadv.ade5973
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] PTPδ is a presynaptic organizer for the formation and maintenance of climbing fiber to Purkinje cell synapses in the developing cerebellum (2023)
  • Author(s): Okuno Yuto、Sakoori Kazuto、Matsuyama Kyoko、Yamasaki Miwako、Watanabe Masahiko、Hashimoto Kouichi、Watanabe Takaki、Kano Masanobu
  • Journal Title: Frontiers in Molecular Neuroscience Volume: 16 Pages: 1206245-1206245
  • DOI: 10.3389/fnmol.2023.1206245
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cerebellar climbing fibers multiplex movement and reward signals during a voluntary movement task in mice (2023)
  • Author(s): Ikezoe Koji、Hidaka Naoki、Manita Satoshi、Murakami Masayoshi、Tsutsumi Shinichiro、Isomura Yoshikazu、Kano Masanobu、Kitamura Kazuo
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 6 Issue: 1 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1038/s42003-023-05309-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] mGluR5 Is Substitutable for mGluR1 in Cerebellar Purkinje Cells for Motor Coordination, Developmental Synapse Elimination, and Motor Learning (2022)
  • Author(s): Harbers Maria、Nakao Harumi、Watanabe Takaki、Matsuyama Kyoko、Tohyama Shoichi、Nakao Kazuki、Kishimoto Yasushi、Kano Masanobu、Aiba Atsu
  • Journal Title: Cells Volume: 11 Issue: 13 Pages: 2004-2004
  • DOI: 10.3390/cells11132004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Endocannabinoid-dependent formation of columnar axonal projection in the mouse cerebral cortex (2022)
  • Author(s): Itami Chiaki、Uesaka Naofumi、Huang Jui-Yen、Lu Hui-Chen、Sakimura Kenji、Kano Masanobu、Kimura Fumitaka
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 119 Issue: 37
  • DOI: 10.1073/pnas.2122700119
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Endocannabinoid-Mediated Control of Neural Circuit Excitability and Epileptic Seizures (2022)
  • Author(s): Sugaya Yuki、Kano Masanobu
  • Journal Title: Frontiers in Neural Circuits Volume: 15 Pages: 781113-781113
  • DOI: 10.3389/fncir.2021.781113
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Flp-dependent G-CaMP9a transgenic mouse for neuronal imaging in vivo (2022)
  • Author(s): Sakamoto Masayuki, Inoue Masatoshi, Takeuchi Atsuya, Kobari Shigetaka, Yokoyama Tatsushi, Horigane Shin-ichiro, Takemoto-Kimura Sayaka, Abe Manabu, Sakimura Kenji, Kano Masanobu, Kitamura Kazuo, Fujii Hajime, Bito Haruhiko
  • Journal Title: Cell Reports Methods Volume: 2 Issue: 2 Pages: 100168-100168
  • DOI: 10.1016/j.crmeth.2022.100168
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Combined glyoxalase 1 dysfunction and vitamin B6 deficiency in a schizophrenia model system causes mitochondrial dysfunction in the prefrontal cortex (2021)
  • Author(s): Toriumi Kazuya、Berto Stefano、Koike Shin、Usui Noriyoshi、Dan Takashi、Suzuki Kazuhiro、Miyashita Mitsuhiro、Horiuchi Yasue、Yoshikawa Akane、Asakura Mai、Nagahama Kenichiro、Lin Hsiao-Chun、Sugaya Yuki、Watanabe Takaki、Kano Masanobu、Ogasawara Yuki、Miyata Toshio、Itokawa Masanari、Konopka Genevieve、Arai Makoto
  • Journal Title: Redox Biology Volume: 45 Pages: 102057-102057
  • DOI: 10.1016/j.redox.2021.102057
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Carbon powder-filled microelectrode: An easy-to-fabricate probe for cellular electrochemistry (2021)
  • Author(s): Tsujimura Asuka、Kamae Yuhi、Kawasaki Hikaru、Nagai Haruki、Kano Masanobu、Tabata Toshihide
  • Journal Title: Analytical Biochemistry Volume: 629 Pages: 114316-114316
  • DOI: 10.1016/j.ab.2021.114316
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] mGluR1 signaling in cerebellar Purkinje cells: class FormattedString { value: Subcellular organization and involvement in cerebellar function and disease } (2021)
  • Author(s): Yamasaki Miwako、Aiba Atsu、Kano Masanobu、Watanabe Masahiko
  • Journal Title: Neuropharmacology Volume: 194 Pages: 108629-108629
  • DOI: 10.1016/j.neuropharm.2021.108629
  • URL: https://localhost/en/publications/421e1763-b575-4342-8562-643cf562d1b0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Calcium imaging of adult-born neurons in freely moving mice (2021)
  • Author(s): Carrier-Ruiz Alvaro、Sugaya Yuki、Kumar Deependra、Vergara Pablo、Koyanagi Iyo、Srinivasan Sakthivel、Naoi Toshie、Kano Masanobu、Sakaguchi Masanori
  • Journal Title: STAR Protocols Volume: 2 Issue: 1 Pages: 100238-100238
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2020.100238
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Combining electrophysiology and optogenetics for functional screening of pyramidal neurons in the mouse prefrontal cortex (2021)
  • Author(s): Nagahama Kenichiro、Fujino Shuhei、Watanabe Takaki、Uesaka Naofumi、Kano Masanobu
  • Journal Title: STAR Protocols Volume: 2 Issue: 2 Pages: 100469-100469
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2021.100469
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In vivo genome editing in single mammalian brain neurons through CRISPR-Cas9 and cytosine base editors (2021)
  • Author(s): Song Beomjong、Kang Chan Young、Han Jun Hee、Kano Masanobu、Konnerth Arthur、Bae Sangsu
  • Journal Title: Computational and Structural Biotechnology Journal Volume: 19 Pages: 2477
  • DOI: 10.1016/j.csbj.2021.04.051
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An Autism-Associated Neuroligin-3 Mutation Affects Developmental Synapse Elimination in the Cerebellum (2021)
  • Author(s): Lai Esther Suk King、Nakayama Hisako、Miyazaki Taisuke、Nakazawa Takanobu、Tabuchi Katsuhiko、Hashimoto Kouichi、Watanabe Masahiko、Kano Masanobu
  • Journal Title: Frontiers in Neural Circuits Volume: 15 Pages: 676891-676891
  • DOI: 10.3389/fncir.2021.676891
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phospholipase C β3 is Required for Climbing Fiber Synapse Elimination in Aldolase C-positive Compartments of the Developing Mouse Cerebellum (2020)
  • Author(s): Rai Yurie、Watanabe Takaki、Matsuyama Kyoko、Sakimura Kenji、Uesaka Naofumi、Kano Masanobu
  • Journal Title: Neuroscience Volume: 462 Pages: 36
  • DOI: 10.1016/j.neuroscience.2020.04.035
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Reactivation of adult-born neuron ensembles in REM sleep for memory consolidation (2023)
  • Author(s): Masanori Sakaguchi、Iyo Koyanagi、Pablo Vergara、Yuteng Wang、Jiahui Yu、Toshie Naoi、Kapar E Vogt、Yoan Cherasse、Noriki Kutsumura、Yuki Sugaya、Masanobu Kano、Takeshi Sakurai、Taro Tezuka、Sakthivel Srinivasan
  • Organizer: The 46th Annual Meeting of Japan Neuroscience Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Negative reward-prediction errors of climbing fiber inputs for cerebellar reinforcement learning algorithm (2023)
  • Author(s): Hoang Thien Huu、Shinichiro Tsutsumi、Masanori Matsuzaki、Masanobu Kano、Keisuke Toyama、Kazuo Kitamura、Mitsuo Kawato
  • Organizer: The 46th Annual Meeting of Japan Neuroscience Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Calcium-Dependent Regulation of Climbing Fiber Synapse Elimination in the Developing Cerebellum (2023)
  • Author(s): Masanobu Kano
  • Organizer: IRCN-iPlasticity International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 神経活動に依存したシナプス刈り込みによる成熟神経回路の形成 (2023)
  • Author(s): 狩野 方伸
  • Organizer: 日本生理学会第100回記念大会
  • Invited
• [Presentation] 小脳における発達期シナプス刈り込みの活動依存的制御 (2022)
  • Author(s): 狩野 方伸
  • Organizer: 第45回日本神経科学大会（NEURO2022,）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 神経発火異常を引き起こす巨大スパインの非線形コンピュテーション (2022)
  • Author(s): 小尾（永田） 紀翔、鈴木 紀光、Matthew L. MacDonald、Kenneth N. Fish、白井 福寿、沖村 宰、長濱 健一郎、田中 昌司、狩野 方伸、Robert A. Sweet、林（高木） 朗子
  • Organizer: 第45回日本神経科学大会（NEURO2022,）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 小脳プルキンエ細胞特異的なmGluR5の発現はmGluR1の運動協調およびシナプス刈り込みの機能を代替できる (2022)
  • Author(s): ハーベス まりあ、中尾 晴美、渡邉 貴樹、岸本 泰司、狩野 方伸、饗場 篤
  • Organizer: 第45回日本神経科学大会（NEURO2022,）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Diacylglycerol lipase-α ノックアウトマウスにみられる早期眼優位可塑性への抑制性神経回路の関与 (2022)
  • Author(s): 亀山 克朗、米田 泰輔、後藤 隆浩、寺田 慧子、高木 正浩、吉村 由美子、崎村 建司、狩野 方伸、畠 義郎
  • Organizer: 第45回日本神経科学大会（NEURO2022,）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Calcium-dependent regulation of climbing fiber synapse elimination in the developing cerebellum (2022)
  • Author(s): Masanobu Kano
  • Organizer: The 12th International Symposium of the RESEARCH ON THE CEREBELLUM AND ATAXIAS (SRCASRCA2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Endocannabinoid-dependent formation of columnar axonal projection of layer 4 neurons in the mouse cerebral cortex (2022)
  • Author(s): Chiaki Itami, Naofumi Uesaka, Jui-Yen Huang, Hui-Chen Lu, Kenji Sakimura, Masanobu Kano, Fumitaka Kimura
  • Organizer: 第99回日本生理学会大会
• [Presentation] 自由行動下で記憶想起課題中のマウス歯状回顆粒細胞の活動 (2021)
  • Author(s): 菅谷 佑樹、Ruiz Alvaro、狩野 方伸
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 発達期小脳においてプレシナプスのLAR-RPTPsはプルキンエ細胞樹状突起上の登上線維シナプス領域の拡大を促進する (2021)
  • Author(s): 奥野 優人、渡邉 貴樹、佐郡 和人、狩野 方伸
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 自発レバー引き課題を行うマウスにおける小脳プルキンエ細胞の複雑スパイク活動の符号化モデル解析 (2021)
  • Author(s): 池添 貢司、日高 直樹、真仁田 聡、村上 誠祥、堤 新一郎、礒村 宜和、狩野 方伸、喜多村 和郎
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 脳の機能発達を担うシナプス刈り込みのアストロサイト依存性とその分子基盤 (2021)
  • Author(s): 上阪 直史、赤松 翼、狩野 方伸
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 生後小脳発達と社会性行動に関わる自閉症感受性遺伝子AUTS2の生理機能の解明 (2021)
  • Author(s): 堀 啓、山城 邦比古、Esther Lai、青木 瞭、嶋岡 可純、有村 奈利子、江草 早紀、坂本 亜沙美、阿部 学、崎村 健司、渡邊 貴樹、上坂 直史、狩野 方伸、星野 幹雄
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research