マウス体性感覚野をモデルとした大脳皮質回路の早期スクラップ＆ビルドの解析

• 研究領域: スクラップ＆ビルドによる脳機能の動的制御
• 研究課題/領域番号: 16H06459
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 国立遺伝学研究所
• 研究代表者: 岩里 琢治 国立遺伝学研究所, 遺伝形質研究系, 教授 (00311332)
• 研究分担者: 下郡 智美 国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, チームリーダー (30391981)
• 研究期間 (年度): 2016-06-30 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2020年度)
• 配分額: 158,990千円 (直接経費: 122,300千円、間接経費: 36,690千円); 2020年度: 31,200千円 (直接経費: 24,000千円、間接経費: 7,200千円); 2019年度: 30,550千円 (直接経費: 23,500千円、間接経費: 7,050千円); 2018年度: 30,030千円 (直接経費: 23,100千円、間接経費: 6,930千円); 2017年度: 29,250千円 (直接経費: 22,500千円、間接経費: 6,750千円); 2016年度: 37,960千円 (直接経費: 29,200千円、間接経費: 8,760千円)
• キーワード: 神経科学 / 神経回路 / 発達 / 哺乳類 / 神経活動 / 脳 / 遺伝学 / マウス / 樹状突起 / 回路形成 / イメージング

研究実績の概要

哺乳類の大脳皮質では、主に新生仔期に、感覚入力や自発活動など神経入力を受けることによって神経ネットワークの大規模な再編が起きるが、その再編のダイナミクスや分子メカニズムの多くが未解明である。本研究では、その解明を目的として、バレルと呼ばれる特徴的な神経回路構造をもつマウス体性感覚野第4層をモデルとして研究を行った。研究室独自の手法により第4層細胞とバレル地図をそれぞれRFPとGFPで標識し、生後3日目（P3）からP6の3日間にわたって二光子顕微鏡タイムラプスイメージングを行うことにより、spiny stellate神経細胞（バレル細胞）の樹状突起の精緻化過程を解析した。その結果、以下のことが明らかとなった。①P3では大半の第4層細胞が頂上突起を有するため、従来の方法ではバレル細胞とstar pyramid細胞を区別することができない。今回、長期イメージングに成功したことにより、バレル細胞も当初は頂上突起をもっているが成長とともに退縮し消失することが証明された。②また、バレル細胞は、P3の頂上突起をもっている未熟な段階ですでに、基底樹状突起がバレル内向きの方向性を示すことがわかった。③しかし、詳細な解析により、P3とP6の樹状突起の内向き方向性は質的に違うものであることも明らかとなり、基底樹状突起精緻化の2段階モデルを提唱した。④2段階目にあたるP3からP6に関して、樹状突起ツリー（dendritic tree）のターンオーバーという新たに見い出した現象に着目して解析したところ、バレルの内でも外でも樹状突起ツリーの生成と消失が見られたが、バレルの外側では生成したツリーの大半がすぐに消失するのに対し、バレルの内側では一部が生き残り大きく成長することによって、バレル細胞の樹状突起内向き方向性が形成されることが明らかとなった。また、並行してシナプス可視化ツールの開発を行った。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究協力者の異動に伴う一部実験の遅延などはあったが、全体として実験や解析が順調に進み、研究実績の概要で記載したような多くの新知見を得ることができた。

今後の研究の推進方策

新生仔大脳皮質のin vivoタイムラプスイメージング技術をさらに改良する。樹状突起精緻化ダイナミクスにおける神経活動の役割、および、関与する分子機構を明らかにする。シナプスの解析は重要であり、可視化ツールの開発を進める。

研究成果

• [国際共同研究] UMH-CSIC(Spain)
• [雑誌論文] In Vivo Two-photon Imaging of Cortical Neurons in Neonatal Mice (2018)
  • 著者名/発表者名: Mizuno H*, Nakazawa S, Iwasato T (* correspondence)
  • 雑誌名: Journal of Visualized Experiments 巻: 140
  • DOI: 10.3791/58340
  • 査読あり
• [雑誌論文] Differential dynamics of cortical neuron dendritic trees revealed by long-term in vivo imaging in neonates (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakazawa Shingo、Mizuno Hidenobu、Iwasato Takuji
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 ページ: 3106-3106
  • DOI: 10.1038/s41467-018-05563-0
  • 査読あり / オープンアクセスとしている
• [雑誌論文] Development of tactile sensory circuits in the CNS (2018)
  • 著者名/発表者名: Iwasato Takuji、Erzurumlu Reha S.
  • 雑誌名: Current Opinion in Neurobiology 巻: 53 ページ: 66-75
  • DOI: 10.1016/j.conb.2018.06.001
  • 査読あり / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] Patchwork-Type Spontaneous Activity in Neonatal Barrel Cortex Layer 4 Transmitted via Thalamocortical Projections. (2018)
  • 著者名/発表者名: Mizuno, H., Ikezoe, K., Nakazawa, S., Sato, T., Kitamura, K., Iwasato, T.
  • 雑誌名: Cell reports 巻: 22 ページ: 123-135
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2017.12.012
  • 査読あり / オープンアクセスとしている
• [雑誌論文] Protocadherin-αC2 is required for diffuse projections of serotonergic axons. (2017)
  • 著者名/発表者名: Katori Shota、Noguchi-Katori Yukiko、Okayama Atsushi、Kawamura Yoshimi、Luo Wenshu、Sakimura Kenji、Hirabayashi Takahiro、Iwasato Takuji、Yagi Takeshi
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 7 号: 1 ページ: 15908-15908
  • DOI: 10.1038/s41598-017-16120-y
  • 査読あり / オープンアクセスとしている
• [雑誌論文] Spinal RacGAP α-chimaerin is required to establish the midline barrier for proper corticospinal axon guidance. (2017)
  • 著者名/発表者名: Katori Shota、Noguchi-Katori Yukiko、Itohara Shigeyoshi、Iwasato Takuji
  • 雑誌名: J Neurosci. 巻: 37 ページ: 7682-7699
  • DOI: 10.1523/jneurosci.3123-16.2017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Prenatal thalamic waves regulate cortical area size prior to sensory processing (2017)
  • 著者名/発表者名: Moreno-Juan, V., Filipchuk, A., Antoｎ-Bolarios, N., Mezzera, C., Gezelius, H., Andes, B., Rodriguez-Malmierca, L., Susin, R., Schaad, O., Iwasato, T., Schuele, R., Rutlin, M., Nelson, S., Ducret, S., Valdeolmillos, M., Rijli, F., Lopez-Bendito, G.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 ページ: 14172-14172
  • DOI: 10.1038/ncomms14172
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] Supernova: A Versatile Vector System for Single-Cell Labeling and Gene Function Studies in vivo (2016)
  • 著者名/発表者名: Luo, W., Mizuno, H., Iwata, R., Nakazawa, S., Yasuda, K., Itohara, S., Iwasato, T.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 35747-35747
  • DOI: 10.1038/srep35747
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] In vitro Assay for Dendritic Spine Retraction of Hippocampal Neurons with Sparse Labeling. (2016)
  • 著者名/発表者名: Iwata, R., Iwasato, T.
  • 雑誌名: Bio-Protocol 巻: 6
  • 査読あり / オープンアクセスとしている
• [雑誌論文] CAPS1 stabilizes the state of readily releasable synaptic vesicles to fusion competence at CA3-CA1 synapses in adult hippocampus. (2016)
  • 著者名/発表者名: 6.Shinoda Y, Ishii C, Fukazawa Y, Sadakata T, Ishii Y, Sano Y, Iwasato T, Itohara S, Furuichi T
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 6 ページ: 31540-31540
  • DOI: 10.1038/srep31540
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [学会発表] 赤ん坊の脳の中での神経回路の発達 ―マウス遺伝学と二光子イメージングを用いた研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 岩里琢治
  • 学会等名: 第18回BIRD脳科学セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] In vivo imaging of barrel cortex layer 4 during thalamocortical reorganization (2018)
  • 著者名/発表者名: Takuji Iwasato
  • 学会等名: 遺伝研研究会2018 “Circuit construction in the mammalian brain”
  • 招待講演
• [学会発表] In vivo imaging of barrel cortex circuit refinement in neonates (2018)
  • 著者名/発表者名: Takuji Iwasato
  • 学会等名: Spontaneous Activity in Brain Development (SPONT 2018)
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] In vivo functional and morphological imaging of neural circuit refinement in the neonatal barrel cortex (2018)
  • 著者名/発表者名: Takuji Iwasato
  • 学会等名: CSHA(Cold Spring Harbor Asia) on Neuroscience 2018 「Latest Advances in Development and Function of Neuronal Circuits」サテライトシンポジウム
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] 新生仔マウスのバレル皮質神経回路発達のin vivoイメージング(In vivo imaging of barrel cortex circuit refinement in neonates) (2018)
  • 著者名/発表者名: 岩里琢治
  • 学会等名: 第41回日本神経科学大会
  • 招待講演
• [学会発表] マウスで迫る「赤ん坊の脳の発達のしくみ」 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岩里琢治
  • 学会等名: JT生命誌研究館・国立遺伝学研究所共同企画シンポジウム「遺伝学の最先端研究から見る生命誌」
  • 招待講演
• [学会発表] Early life experience and brain development (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Shimogori
  • 学会等名: UK-Japan Neuroscience Syposium, London, UK
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Input from the thalamus creates diversity of the cortical neuron (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Shimogori
  • 学会等名: Gordon Research Conference (Thalamocortical interactions), Il Ciocco, Italy
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] マウス遺伝学を用いた体性感覚系神経回路発達の解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岩里琢治
  • 学会等名: 新潟大学脳研究所共同研究合同セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Unveiling the mechanisms of neuronal circuit refinement in the neonatal mouse barrel Cortex (2017)
  • 著者名/発表者名: Takuji Iwasato
  • 学会等名: Academia Sinica Symposium
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] マウス大脳皮質の生後発達期神経回路リモデリング (2017)
  • 著者名/発表者名: 岩里琢治
  • 学会等名: 第12回「認識と形成」研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 生後発達期の大脳皮質リモデリング (2017)
  • 著者名/発表者名: 岩里琢治
  • 学会等名: 生理学研究所研究会「大脳皮質回路の機能原理を探る」
  • 招待講演
• [学会発表] マウス大脳皮質の生後発達期神経回路リモデリング (2017)
  • 著者名/発表者名: 岩里琢治
  • 学会等名: 第5回「幸福脳」研究会（名古屋大学・慶応大学合同ミーティング）
  • 招待講演
• [学会発表] Neuronal activity dependent circuit development: Morphological changes and molecular mechanism (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Shimogori
  • 学会等名: Indiana University, Linda and Jack Gill Chair of Neuroscience Department of Biology, Indiana, USA
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Neuronal activity dependent circuit development: Morphological changes and molecular mechanism (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Shimogori
  • 学会等名: McGill University, Department of Physiology, Montreal, Canada
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Neuronal activity dependent circuit development: Morphological changes and molecular mechanism (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Shimogori
  • 学会等名: The 48th NIPS symposium, Okazaki, Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Neuronal activity dependent circuit development: Morphological changes and molecular mechanism (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Shimogori
  • 学会等名: Boston Children’s Hospital, Harvard University, Boston, USA
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Neuronal activity dependent circuit development: Morphological changes and molecular mechanism (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Shimogori
  • 学会等名: Depts of Cell Biology and Neurobiology, Duke university, North Carolina, USA
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Neuronal activity dependent circuit development: Morphological changes and molecular mechanism (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Shimogori
  • 学会等名: Institut de Recherches Cliniques de Montreal, Montreal, Quebec, Canada
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Neuronal activity dependent circuit development: Morphological changes and molecular mechanism (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Shimogori
  • 学会等名: Montreal Neurological Institute, McGill University, Montreal, Quebec, Canada
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Unveiling the mechanisms of neuronal circuit refinement in the neonatal mouse barrel Cortex (2017)
  • 著者名/発表者名: 岩里琢治
  • 学会等名: Academia Sinica Symposium
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] 哺乳類中枢神経系における神経回路形成の遺伝学的解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岩里琢治
  • 学会等名: 新潟大学脳研究所共同研究合同セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] In vivo imaging of neonatal mouse barrel cortex (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Iwasato
  • 学会等名: Dart Neuroscience Seminar Series at The Scripps Research Institute
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] 新生仔大脳皮質における神経回路スクラップ&ビルド (2016)
  • 著者名/発表者名: 岩里琢治
  • 学会等名: スクラップ&ビルドによる脳機能の動的制御シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 独自の二光子イメージング技術を用いた、新生仔マウス大脳皮質における神経回路発達の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岩里琢治
  • 学会等名: 第159回日本獣医学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] In vivo imaging of neonatal mouse barrel cortex (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Iwasato
  • 学会等名: シンポジウム”Circuit Construction in the Mammalian Brain”
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演