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 (2019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); 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: 神経回路 / 発達 / 哺乳類 / 神経活動 / 神経科学 / 脳 / 遺伝学 / マウス / イメージング

研究実績の概要

ヒトの赤ん坊を含む新生仔期の動物の大脳皮質では、外部からの神経入力を受けることにより大規模な神経ネットワークの再編が誘導されている。この生後発達早期の神経ネットワーク再編は、神経突起（樹状突起と軸索）の大規模なスクラップ＆ビルドに依存するという際立った特徴をもつことが知られているが、その実際の再編様式や分子メカニズムの多くが未解明であった。本研究では、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層の特長を活用して、新生仔期の大脳皮質で神経活動が引き起こす神経突起のスクラップ＆ビルドのダイナミクスとメカニズムの解明を行うことを目的として研究を行っている。方法的には、大脳皮質など細胞密度の高い脳領域で単一細胞を明るく蛍光標識するシステム、標識細胞特異的に任意の遺伝子の操作をすることを可能とするシステム、視床皮質軸索で緑色蛍光蛋白質を発現するトランスジェニックマウス、そして、幼若マウス脳におけるin vivoイメージングという、我々が独自に開発してきた各種の新規技術を活用して研究を進めている。脆弱な生後3日目のマウスの体性感覚野に観察窓をつけ、二光子励起顕微鏡を用いて観察を行い、観察の合間には母親マウスの世話を受けさせるということを繰り返しながら、同一の第4層ニューロンを3日間にわたってイメージングし、その成長を追うことに世界で初めて成功した。このイメージングおよびその後の解析によって、新生仔期の大脳皮質において樹状突起のターンオーバーという現象を見出し、それが樹状突起再編メカニズムの鍵となることを示唆する結果を得た。

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

二光子顕微鏡の故障などトラブルのため実験が遅れることもあったが、全体として順調に進展している。

今後の研究の推進方策

解析を進めて定量解析に十分なサンプル数が集まれば、これまでの成果に関して最初の論文としてまとめる。また、これまでの解析で新たに得た知見を取り入れることにより当初計画を適宜修正しながら研究を遂行する。

研究成果

• [国際共同研究] UMH-CSIC(Spain)
• [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 Hidenobu、Ikezoe Koji、Nakazawa Shingo、Sato Takuya、Kitamura Kazuo、Iwasato Takuji
  • 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] 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: 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] 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] 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