二色Ca2+イメージングを用いたシナプス形成における神経活動の動態解明

• Project/Area Number: 19J21739
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 46010:Neuroscience-general-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小針 成敬 東京大学, 大学院医学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2023-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000); Fiscal Year 2021: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2020: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2019: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: カルシウム / Ca2+イメージング / 神経活動 / 動態解明 / シナプス形成

Outline of Research at the Start

幼若期神経細胞は、自発的な神経活動を示し、シナプス形成においては、前・後細胞の神経活動が共に重要であることが示唆されてきた。 近年、高性能多色遺伝子コード型Ca2+プローブ群XCaMPsが開発され、シナプス前・後細胞で同時Ca2+イメージングを行うことで、前・後細胞の活動を同時に計測することが可能になった。本研究では、発生期マウスのシナプス前・後細胞に別々の色のGECIを発現させ、生後1-2週齢での同時Ca2+イメージングを行ない、シナプス形成期におけるCa2+変動の時空間パターンを明らかにする。さらに、その活動を操作し、その生理的意義を検討する。

Outline of Annual Research Achievements

幼若期の神経細胞は、自発的な神経変動を示すことが知られており、遺伝的にプログラムされたプロセスに加えて、神経活動によって制御されたメカニズムがさまざまな発生期イベントにおいて重要であることが示唆されてきた。発生期イベントの中でも、シナプス形成においては、シナプス前・後細胞の神経活動が共に重要であると考えられるが、近年まで、実用可能な遺伝子コード型Ca2+プローブ（GECI）が緑色のみであったため、従来は、シナプス前・後細胞の片方しか一度に観察できなかった。そのため、シナプス形成時にどちらの細胞のどの部分でどのような時空間パターンで神経活動が起こるのか、そしてその生理的意義については、ほとんどわかっていない。しかし、近年、高性能な多色のGECI群が開発され、これらの適切な組合せで、従来困難であったシナプス前・後細胞での同時Ca2+イメージングを行なうことが可能になっている。本研究では、マウス体性感覚野2/3層興奮性細胞の対側投射シナプスに着目し、このシナプス前・後細胞に別々の色のCa2+プローブを発現させ、生後1週齢から2週齢での2色同時Ca2+イメージングを行ない、シナプス形成期におけるCa2+変動の時空間的なパターンを明らかにし、その発生期イベントにおける生理的な意義を検討する。
研究計画の2年目の本年度においては、特にシナプス前細胞のCa2+イメージングに取り組んだ。対側投射軸索におけるCa2+イメージングを、異なる週齢の個体に対し行い、軸索における活動パターンが週齢によって変化していくことを確認した。また、赤色の蛍光タンパクを導入し、発達期の伸長中軸索の数時間に渡るイメージングにより、発達時期によって対側投射軸索は異なる伸長パターンを示すことがわかった。さらに、軸索の形態とCa2+変動を同時にイメージングし、軸索の伸長とCa2+変動を同時に観察することに成功した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

シナプス前細胞において、軸索伸長という発生期イベントとCa2+変動の関係を検討するための実験系を整えた。今後、これらの関係を検討し、またシナプス後細胞のCa2+イメージングとも組み合わせていく予定である。

Strategy for Future Research Activity

引き続き当初計画に沿って進行していく。