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Elucidation of the function of the sleep architecture based on the identification of novel brainstem neuronal circuits

Research Project

Project/Area Number 20H03353
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 46030:Function of nervous system-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

林 悠  京都大学, 医学研究科, 教授 (40525812)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
Keywords睡眠 / マウス / 脳幹 / 神経回路 / 化学遺伝学
Outline of Research at the Start

様々な疾患や発達障害において、睡眠構築(レム睡眠やノンレム睡眠や中途覚醒が一晩の間に現れるパターン)の異常が長期にわたって続く。こうした異常が脳機能に及ぼす影響はよくわかっていない。私たちはこれまでに、睡眠構築制御を司る脳幹の神経ネットワークの解明を進めてきた。その過程で、レム睡眠やノンレム睡眠を一過的または長期的に操作できるマウスを構築した。本研究では、こうした私たち独自の睡眠構築制御技術を活用し、正常な睡眠構築が脳機能に果たす役割を解明する。その際、分子レベルから神経回路レベル・行動レベルまで解析を行い、睡眠構築の重要性を解明するとともに、睡眠構築を生み出す神経回路の動作原理も解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、我々が同定した睡眠制御細胞群に着目し、レム睡眠を人為的に操作したマウスにおいて、脳機能に生じる影響を解明して、さらに、そのメカニズムを細胞レベル・分子レベルで明らかにすることを目的としている。まず、初年度は、行動レベルでの影響を解析した。レム睡眠を長期的に抑制したマウスにおいて、記憶学習課題や情動・不安行動、さらに、運動学習能力などへの影響を検討した。さらに、影響が見られた行動課題に注目し、関連性の高い脳部位において、どのような異常が細胞レベル・分子レベルで生じているかの解明に取り組んだ。その際には、どのような細胞種や分子経路にフォーカスするかは、先入観に基づく仮説を立てずに進めるために、当該部位のtotal RNAを得て、RNA-sequencingを実施した。レム睡眠を長期的に抑制したマウスと、増加させたマウスとで、逆方向に発現量が変動した遺伝子こそが、睡眠構築の機能解明につながる重要な遺伝子であると期待される。
一方、睡眠構築が脳全体に作用するメカニズムを神経回路レベルでも解明することを目指した。そのために、私たちが同定した脳幹のレム睡眠制御を担う神経ネットワークを構成する細胞群が、それぞれどこの脳部位へと投射するかを解析した。具体的には、軸索終末に局在するSynaptophysin-GFPを発現するウイルスベクターや、順行性に伝播するタイプの血清型のウイルスベクターを用いた。さらに、同定された脳部位・神経回路の一部に関しては、その部位の細胞の機能を明らかにするために、化学遺伝学的に神経活動を操作できるウイルスベクターを導入し、活性化または不活性化による影響を検討した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

当該年度の交付申請書に記載した計画に概ね則って研究を進めることができたため、上記の通り判断した。

Strategy for Future Research Activity

次年度以降は、RNA-seqの結果を踏まえて、どの細胞種、分子経路がレム睡眠の作用を特に強く受けるかを明らかにする。特に、レム睡眠を長期的に抑制したマウスと、増加させたマウスとで、逆方向に発現量が変動した遺伝子こそが、睡眠構築の機能解明につながる重要な遺伝子である可能性が高いことを踏まえて、それらの遺伝子がどの細胞種に発現し、どのような細胞機能と関わるかを明らかにする。特に影響の強かった遺伝子については、その遺伝子が発現する細胞種または含まれる分子経路への影響の全体像を得ることを目指して、免疫組織化学・in situ hybridizationなどの手法を適用する。
また、我々が同定したレム睡眠制御回路の操作が睡眠以外の影響も有する可能性を踏まえ、プラワーポット法など、異なるレム睡眠阻害方法によっても、当該の細胞種または分子経路が影響を受けるかを解析することで、レム睡眠の操作そのものがもたらした効果であるかを検証する。さらに、睡眠構築を制御する細胞群の活動様式が不明であることを踏まえ、細胞種特異的な神経活動の記録を行う。そのために、それぞれの神経細胞に選択的にカルシウムイメージング用のプローブ(GCaMP6)を発現させて、脳装着型の超小型顕微鏡を用いたイメージングを実施する。これにより、睡眠構築を支配する脳幹の神経ネットワークの動作原理も解明する。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(16 results)

All 2021 2020 Other

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 4 results) Presentation (4 results) (of which Invited: 4 results) Remarks (3 results)

  • [Journal Article] Copine-7 Is Required for REM Sleep Regulation Following Cage Change or Water Immersion and Restraint Stress in Mice2021

    • Author(s)
      Chih-Yao Liu, Chia-Jung Tsai, Shinnosuke Yasugaki, Nanae Nagata, Miho Morita, Ayako Isotani, Masashi Yanagisawa, and Yu Hayashi.
    • Journal Title

      Neuroscience Research

      Volume: - Pages: 14-25

    • DOI

      10.1016/j.neures.2020.04.002

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Sleep Architecture in Mice Is Shaped by the Transcription Factor AP-2β2020

    • Author(s)
      Nakai Ayaka、Fujiyama Tomoyuki、Nagata Nanae、Kashiwagi Mitsuaki、Ikkyu Aya、Takagi Marina、Tatsuzawa Chika、Tanaka Kaeko、Kakizaki Miyo、Kanuka Mika、Kawano Taizo、Mizuno Seiya、Sugiyama Fumihiro、Takahashi Satoru、Funato Hiromasa、Sakurai Takeshi、Yanagisawa Masashi、Hayashi Yu
    • Journal Title

      Genetics

      Volume: 216 Pages: 753-764

    • DOI

      10.1534/genetics.120.303435

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Evolutionary Origin of Distinct NREM and REM Sleep2020

    • Author(s)
      Yamazaki Risa、Toda Hirofumi、Libourel Paul-Antoine、Hayashi Yu、Vogt Kaspar E.、Sakurai Takeshi
    • Journal Title

      Frontiers in Psychology

      Volume: 11 Pages: 1-8

    • DOI

      10.3389/fpsyg.2020.567618

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Editorial: The Gating and Maintenance of Sleep and Wake: New Circuits and Insights2020

    • Author(s)
      Lazarus Michael、Hayashi Yu、Honjoh Sakiko、Vogt Kaspar E.、Eban-Rothschild Ada、Liu Qinghua、Sakurai Takeshi
    • Journal Title

      Frontiers in Neuroscience

      Volume: 14 Pages: 1-3

    • DOI

      10.3389/fnins.2020.00773

    • NAID

      120007165426

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Multimodal nonlinear optical imaging ofCaenorhabditis eleganswith multiplex coherent anti-Stokes Raman scattering, third-harmonic generation, second-harmonic generation, and two-photon excitation fluorescence2020

    • Author(s)
      Miyazaki Shinichi、Leproux Philippe、Couderc Vincent、Hayashi Yu、Kano Hideaki
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 13 Pages: 072002-072002

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ab9711

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] The existence of two states of sleep as a common trait in various animals and its molecular and neuronal mechanisms2020

    • Author(s)
      Kashiwagi Mitsuaki、Hayashi Yu
    • Journal Title

      Current Opinion in Physiology

      Volume: 15 Pages: 197-202

    • DOI

      10.1016/j.cophys.2020.03.007

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Progressive Changes in Sleep and Its Relations to Amyloid-β Distribution and Learning in Single App Knock-In Mice2020

    • Author(s)
      Maezono Sakura Eri B.、Kanuka Mika、Tatsuzawa Chika、Morita Miho、Kawano Taizo、Kashiwagi Mitsuaki、Nondhalee Pimpimon、Sakaguchi Masanori、Saito Takashi、Saido Takaomi C.、Hayashi Yu
    • Journal Title

      eNeuro

      Volume: 7 Pages: 1-14

    • DOI

      10.1523/eneuro.0093-20.2020

    • NAID

      120007163363

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Sleep architecture of adenosine A2A receptor-deficient mice2020

    • Author(s)
      Tsai Chia-Jung, Liu Chih-Yao, Lazarus Michael, Hayashi Yu
    • Journal Title

      Sleep and Biological Rhythms

      Volume: - Pages: 275-279

    • DOI

      10.1007/s41105-020-00260-2

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Widely Distributed Neurotensinergic Neurons in the Brainstem Regulate NREM Sleep in Mice.2020

    • Author(s)
      Kashiwagi M, Kanuka M, Tatsuzawa C, Suzuki H, Morita M, Tanaka K, Kawano T, Shin JW, Suzuki H, Itohara S, Yanagisawa M, Hayashi Y.
    • Journal Title

      Current Biology

      Volume: 30 Pages: 1002-1010

    • DOI

      10.1016/j.cub.2020.01.047

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Genetic and imaging approaches to elucidate the roles of REM sleep2020

    • Author(s)
      林 悠
    • Organizer
      記憶研究会2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 睡眠に注目した新規な脳恒常性維持機構の解明2020

    • Author(s)
      林 悠
    • Organizer
      第93回 日本生化学会大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] レム睡眠の意義とメカニズム~マウスの遺伝学・イメージングからのアプローチ~2020

    • Author(s)
      林 悠
    • Organizer
      第71回 日本薬理学会北部会次世代薬理学セミナー2020 in 仙台
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Crucial roles for REM sleep in maintaining brain homeostasis as revealed from genetic and imaging approaches2020

    • Author(s)
      林 悠
    • Organizer
      第43回 日本神経科学大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Remarks] 生理学研究室

    • URL

      https://www.med.kyoto-u.ac.jp/organization-staff/research/human_health/ot0101/

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] 京都大学教育研究活動データベース

    • URL

      https://kyouindb.iimc.kyoto-u.ac.jp/j/xS3wT

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/h-z-k

    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-04-19  

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