感覚入力特異的なスクラップ&ビルドによる大脳皮質内の多細胞ネットワーク形成機構

• 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: 16H06460
• 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: 生理学研究所
• 研究代表者: 吉村 由美子 生理学研究所, 基盤神経科学研究領域, 教授 (10291907)
• 研究分担者: 山本 亘彦 大阪大学, 生命機能研究科, 教授 (00191429)
• 研究期間 (年度): 2016-06-30 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 157,430千円 (直接経費: 121,100千円、間接経費: 36,330千円); 2020年度: 27,950千円 (直接経費: 21,500千円、間接経費: 6,450千円); 2019年度: 28,470千円 (直接経費: 21,900千円、間接経費: 6,570千円); 2018年度: 28,080千円 (直接経費: 21,600千円、間接経費: 6,480千円); 2017年度: 29,640千円 (直接経費: 22,800千円、間接経費: 6,840千円); 2016年度: 43,290千円 (直接経費: 33,300千円、間接経費: 9,990千円)
• キーワード: 大脳皮質 / 視覚野 / 体性感覚野 / 細胞系譜依存性シナプス結合 / 空間周波数選択性 / 神経活動同期性 / 一次視覚野 / 興奮性シナプス結合 / 抑制性シナプス結合 / パルブアルブミン陽性抑制性ニューロン / 経験依存的発達 / NMDA型グルタミン酸受容体 / 方位選択性 / 大脳皮質視覚野 / 視覚反応選択性 / 神経回路再編 / RNAシークエンス / 興奮性細胞 / 抑制性細胞 / 双方向性神経結合 / 発達 / 神経活動依存的マーカー / 神経回路 / 遺伝子発現

研究成果の概要

大脳皮質の機能が環境に適応するよう発達するには、発達早期に一旦形成された神経ネットワークが、発達後期の体験や学習に基づいたシナプスのスクラップ&ビルドにより機能再編されることが重要である。本研究では、大脳皮質体性感覚野において、胎生期の細胞系譜に依存したシナプス結合形成には、発生期に高発現するDNAメチル化酵素とその制御を受ける細胞接着因子が重要であることを明らかにした。また、大脳皮質視覚野の多細胞集団でみられる視覚反応の類似度に依存した同期的神経活動および個々のニューロンの空間周波数選択性は生後発達期の開眼後に形成されること、その発達には正常な視覚経験が必要であることを見出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では大脳皮質において、遺伝的なメカニズムに従い生後の経験に依存せずに成熟する機能と、生後の経験による調整を受けながら発達する機能の一端を明らかにした。モデル動物を用いた大脳皮質経験依存的発達メカニズムに関する本成果により、ヒトの脳機能発達メカニズムの理解に貢献できると考えられる。

研究成果

• [国際共同研究] VIB-KU Leuven Center for Brain(ベルギー)
• [雑誌論文] Thalamocortical axons control the cytoarchitecture of neocortical layers by area-specific supply of VGF (2022)
  • 著者名/発表者名: Sato Haruka、Hatakeyama Jun、Iwasato Takuji、Araki Kimi、Yamamoto Nobuhiko、Shimamura Kenji
  • 雑誌名: eLife 巻: 11 ページ: 67549-67549
  • DOI: 10.7554/elife.67549
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The contribution of low contrast-preferring neurons to information representation in the primary visual cortex after learning (2021)
  • 著者名/発表者名: Rie Kimura and Yumiko Yoshimura
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 7 (48) 号: 48
  • DOI: 10.1126/sciadv.abj9976
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The role of early visual experience in the development of spatial‐frequency preference in the primary visual cortex (2021)
  • 著者名/発表者名: Nishio Nana、Hayashi Kenji、Ishikawa Ayako Wendy、Yoshimura Yumiko
  • 雑誌名: The Journal of Physiology 巻: 599 号: 17 ページ: 4131-4152
  • DOI: 10.1113/jp281463
  • 査読あり
• [雑誌論文] Involvement of Denervated Midbrain-Derived Factors in the Formation of Ectopic Cortico-Mesencephalic Projection after Hemispherectomy (2021)
  • 著者名/発表者名: Chang Leechung、Masada Mayuko、Kojima Masami、Yamamoto Nobuhiko
  • 雑誌名: The Journal of Neuroscience 巻: 42 号: 5 ページ: 749-761
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1371-21.2021
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Neuronal Activity Patterns Regulate Brain-Derived Neurotrophic Factor Expression in Cortical Cells via Neuronal Circuits (2021)
  • 著者名/発表者名: Miyasaka Yumi、Yamamoto Nobuhiko
  • 雑誌名: Frontiers in Neuroscience 巻: 15 ページ: 699583-699583
  • DOI: 10.3389/fnins.2021.699583
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamic erectile responses of a novel penile organ model utilizing TPEM. (2021)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto D, Hirashima T, Yamamura H, Kataoka T, Fujimoto K, Hyuga T, Yoshiki A, Kimura K, Kuroki S, Tachibana M, Suzuki K, Yamamoto N, Morioka S, Sasaki T, Yamada G.
  • 雑誌名: Biol Reprod. 巻: in press 号: 4 ページ: 875-886
  • DOI: 10.1093/biolre/ioab011
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Importance of the renal ion channel TRPM6 in the circadian secretion of renin to raise blood pressure (2021)
  • 著者名/発表者名: Funato Yosuke、Yamazaki Daisuke、Okuzaki Daisuke、Yamamoto Nobuhiko、Miki Hiroaki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 3683-3683
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24063-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Long-Range Interhemispheric Projection Neurons Show Biased Response Properties and Fine-Scale Local Subnetworks in Mouse Visual Cortex (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenta M Hagihara, Ayako Wendy Ishikawa, Yumiko Yoshimura, Yoshiaki Tagawa, Kenichi Ohki
  • 雑誌名: Cerebral Cortex 巻: 31 号: 2 ページ: 1307-1315
  • DOI: 10.1093/cercor/bhaa297
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Developmental Phase Transitions in Spatial Organization of Spontaneous Activity in Postnatal Barrel Cortex Layer 4. (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakazawa, S., Yoshimura, Y., Takagi M., Mizuno H. & Iwasato T.
  • 雑誌名: J Neurosci. 巻: 2020 Sep 4;JN-RM 号: 40 ページ: 1116-1120
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1116-20.2020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Suppression of DNA Double-Strand Break Formation by DNA Polymerase β in Active DNA Demethylation Is Required for Development of Hippocampal Pyramidal Neurons (2020)
  • 著者名/発表者名: Uyeda A, Onishi K, Hirayama T, Hattori S, Miyakawa T, Yagi T, Yamamoto N, Sugo N.
  • 雑誌名: J Neurosci. 巻: 40 号: 47 ページ: 9012-9027
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0319-20.2020
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rho guanine nucleotide exchange factors regulate horizontal axon branching of cortical upper layer neurons. (2019)
  • 著者名/発表者名: Sasaki K, Arimoto K, Kankawa K, Terada C, Yamamori T, Watakabe K, Yamamoto, N., epub bhz256.
  • 雑誌名: Cereb Cortex 巻: 30 号: 4 ページ: 2506-2518
  • DOI: 10.1093/cercor/bhz256
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hypothalamic Neuronal Circuits Regulating Hunger-Induced Taste Modification (2019)
  • 著者名/発表者名: Fu O, Iwai Y, Narukawa M, Ishikawa AW, Ishii KK, Murata K, Yoshimura Y, Touhara K, Misaka T, Minokoshi Y, Nakajima KI.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 4560-4560
  • DOI: 10.1038/s41467-019-12478-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] miR-124 dosage regulates prefrontal cortex function by dopaminergic modulation. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kozuka T, Omori Y, Watanabe S, Tarusawa E, Yamamoto H, Chaya T, Furuhashi M, Morita M, Sato T, Hirose S, Ohkawa Y, Yoshimura Y, Hikida T, Furukawa T.
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: Mar 5;9(1) 号: 1 ページ: 3445-3445
  • DOI: 10.1038/s41598-019-38910-2
  • NAID: 120006579467
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Experience-Dependent Development of Feature-Selective Synchronization in the Primary Visual Cortex (2018)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Ayako Wendy、Komatsu Yukio、Yoshimura Yumiko
  • 雑誌名: The Journal of Neuroscience 巻: 38 号: 36 ページ: 7852-7869
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0027-18.2018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Length of myelin internodes of individual oligodendrocytes is controlled by microenvironment influenced by normal and input-deprived axonal activities in sensory deprived mouse models (2018)
  • 著者名/発表者名: Osanai Yasuyuki、Shimizu Takeshi、Mori Takuma、Hatanaka Nobuhiko、Kimori Yoshitaka、Kobayashi Kenta、Koyama Shinsuke、Yoshimura Yumiko、Nambu Atsushi、Ikenaka Kazuhiro
  • 雑誌名: Glia 巻: 66 号: 11 ページ: 2514-2525
  • DOI: 10.1002/glia.23502
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Higher primate-like direct corticomotoneuronal connections are transiently formed in a juvenile subprimate mammal (2018)
  • 著者名/発表者名: Murabe Naoyuki、Mori Takuma、Fukuda Satoshi、Isoo Noriko、Ohno Takae、Mizukami Hiroaki、Ozawa Keiya、Yoshimura Yumiko、Sakurai Masaki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 16536-16536
  • DOI: 10.1038/s41598-018-34961-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Visualization of Thalamocortical Axon Branching and Synapse Formation in Organotypic Cocultures (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto N, Yamamoto N
  • 雑誌名: J Vis Exp 巻: 133 号: 133
  • DOI: 10.3791/56553
  • 査読あり
• [雑誌論文] 層構造の形成．ニューロジェネテウィクス新時代－次世代シークエンサーが拓く新しい世界． (2018)
  • 著者名/発表者名: 山本亘彦
  • 雑誌名: CLINICAL NEUROSCIENCE 巻: 36 ページ: 181-183
• [雑誌論文] 視床大脳皮質投射系における軸索分岐のリモデリング機構. (2018)
  • 著者名/発表者名: 山本亘彦
  • 雑誌名: 実験医学「脳神経回路と高次脳機能－スクラップ＆ビルドによる心の発達と脳疾患の謎を解く」榎本和生，岡部繁男編. 巻: - ページ: 46-52
• [雑誌論文] Visual experience regulates the development of long-term synaptic modifications induced by low-frequency stimulation in mouse visual cortex. (2017)
  • 著者名/発表者名: Taketoshi Sugimura, Mariko Yamamoto, Kazumasa Yamada, Yukio Komatsu, and Yumiko Yoshimura
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 印刷中 ページ: 36-44
  • DOI: 10.1016/j.neures.2017.02.006
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nucleocytoplasmic Shuttling of Histone Deacetylase 9 Controls Activity-Dependent Thalamocortical Axon Branching (2017)
  • 著者名/発表者名: Ricardo Alchini, Haruka Sato, Naoyuki Matsumoto, Tomomi Shimogori, Noriyuki Sugo, Nobuhiko Yamamoto
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 6024-6024
  • DOI: 10.1038/s41598-017-06243-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Immunocytochemistry and fluorescence imaging efficiently identify individual neurons with CRISPR/Cas9-mediated gene disruption in primary cortical cultures (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroto Tsunematsu, Akiko Uyeda, Nobuhiko Yamamoto, Noriyuki Sugo
  • 雑誌名: BMC Neuroscience 巻: 18 号: 1 ページ: 55-55
  • DOI: 10.1186/s12868-017-0377-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Genome Stability by DNA polymerase β in Neural Progenitors Contributes Neuronal Differentiation in Cortical Development (2017)
  • 著者名/発表者名: Kohei Onishi, Akiko Uyeda, Mistuhiro Shida, Teruyoshi Hirayama, Takeshi Yagi, Nobuhiko Yamamoto, Noriyuki Sugo
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience 巻: 37 号: 35 ページ: 8444-8485
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0665-17.2017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Activity-dependent dynamics of the transcription factor CREB in cortical neurons revealed by single-molecule imaging (2017)
  • 著者名/発表者名: Kitagawa H, Sugo N, Morimatsu M, Arai Y, Yanagida T, Yamamoto N
  • 雑誌名: J Neurosci 巻: 37 号: 1 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0943-16.2016
  • 査読あり
• [雑誌論文] Establishment of high reciprocal connectivity between clonal cortical neurons is regulated by the Dnmt3b DNA methyltransferase and clustered protocadherins (2016)
  • 著者名/発表者名: Tarusawa E., Sanbo M., Okayama A., Miyashita T., Kitsukawa T., Hirayama T., Hirabayashi T., Hasegawa S., Kaneko R., Toyoda S., Kobayashi T., Kato-Itoh M., Nakauchi H., Hirabayashi M., Yagi T., Yoshimura Y.
  • 雑誌名: BMC Biology 巻: 14 号: 1 ページ: 103-103
  • DOI: 10.1186/s12915-016-0326-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Visualization of HDAC9 spatiotemporal subcellular localization in primary neuron cultures (2016)
  • 著者名/発表者名: Sugo N, Yamamoto N
  • 雑誌名: Methods Mol Biol 巻: 1436 ページ: 119-127
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-3667-0_9
  • ISBN: 9781493936656, 9781493936670
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Roles of visual experience in maturation of neural responses in rat visual cortex. (2021)
  • 著者名/発表者名: Yumiko Yoshimura
  • 学会等名: Development of consciousness symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Molecular mechanisms underlying lesion-induced axonal sprouting in the corticomesencephalic projection (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, N
  • 学会等名: Symposium “Circuit Construction in the Mammalian Brain
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 大脳皮質視覚野の経験依存的発達メカニズム (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉村由美子
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
  • 招待講演
• [学会発表] Spatiotemporal patterns of BDNF expression in the cortex induced by neuronal activity (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, N
  • 学会等名: New Frontier in Neuroscience 2020, International Symposium on Neural Development, Regeneration & Diseases
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Establishment of clustered protocadherin-regulated high reciprocal connectivity between clonal cortical neurons requires sensory experience in mouse barrel cortex. (2019)
  • 著者名/発表者名: Tarusawa E. Sanbo M, Hirabayashi T, Yagi Y, Yoshimura Y
  • 学会等名: Neuro2019
  • 国際学会
• [学会発表] Involvement of V1 neurons preferring low-contrast stimuli in difficult orientation discrimination. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kimura R, Yoshimura Y
  • 学会等名: 9th FAOPS
  • 国際学会
• [学会発表] The roles of visual experience in the maturation of neural responses in the visual cortex. (2018)
  • 著者名/発表者名: Yumiko Yoshimura
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Asia “Latest Advances in Development & Function of Neuronal Circuits”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The roles of visual experience in the maturation of secondary visual cortex. (2018)
  • 著者名/発表者名: Yumiko Yoshimura
  • 学会等名: The 95th Annual Meeting of the Physiological Society Meeting
  • 招待講演
• [学会発表] Maintenance of genome stability by DNA polymerase β is necessary for postnatal development in cortical and hippocampal neurons (2018)
  • 著者名/発表者名: Uyeda, A., Onishi, K., Hirayama, T., Yagi, T., Yamamoto, N., Sugo, N.
  • 学会等名: The 41st Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] BDNF promoter activity is modulated by patterned firing activity in upper layer neurons of the developing cortex (2018)
  • 著者名/発表者名: Miyasaka, Y., Yamamoto, N
  • 学会等名: The 41st Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] Glial cell dynamics associated with ectopic orticofugal projections after hemispherectomy (2018)
  • 著者名/発表者名: Chang, L., Yamamoto, N.
  • 学会等名: The 41st Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] 神経活動依存的な視床皮質投射の形成機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山本亘彦、神経活動依存的な視床皮質投射の形成機構、東京大学大学院医学系研究科セミナー
  • 学会等名: 東京大学大学院医学系研究科セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular mechanisms of activity-dependent axon branching in neocortical circuits (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, N.
  • 学会等名: The 5th International Symposium on Synaptic Transmission and Plasticity
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Patterned neuronal firing regulates promoter activity of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) in individual cortical neurons (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, N.
  • 学会等名: Spontaneous Activity in Brain Development
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Mechanisms of activity-dependent remodeling in neocortical circuits (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, N.
  • 学会等名: Invited seminar in Korea Brain Science Institute
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 二次視覚野の発達における視覚経験の役割 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉村由美子
  • 学会等名: 第９５回日本生理学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] The roles of visual experience in the maturation of neural circuits and functions in the visual cortex (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshimura Y
  • 学会等名: McGill University-NIPS Symposium
  • 招待講演
• [学会発表] Novel dependence of neural responses on the contrast of visual stimuli used for an orientation discrimination task in rat primary visual cortex (2017)
  • 著者名/発表者名: Kimura R, Yoshimura Y
  • 学会等名: The 40th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] Activity-Dependent Mechanisms for Thalamocortical Circuit Formation (2017)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, N
  • 学会等名: The 48th NIPS International Symposium
  • 招待講演
• [学会発表] 神経活動依存的な視床皮質軸索の分岐制御機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山本 亘彦
  • 学会等名: 第39回神経組織培養研究会
  • 招待講演
• [学会発表] The role of neuronal activity and co-factors in CREB dynamics in cortical neurons: A single-molecule imaging study (2017)
  • 著者名/発表者名: Kitagawa, H., Sugo, N. & Yamamoto, N.
  • 学会等名: Cortical development Conference
  • 国際学会
• [学会発表] High reciprocal connectivity between clonal cortical neurons is established under the guidance of epigenetic regulation (2016)
  • 著者名/発表者名: Tarusawa E, Sanbo M, Okayama A, Miyashita T, Kitsukawa T, Hirayama T, Hirabayashi T, Hasegawa S, Hirabayashi M, Yagi T, Yoshimura Y
  • 学会等名: Society of Neuroscience 2016
  • 国際学会
• [学会発表] Experience-dependent maturation of neural circuits and functions in the secondary visual cortex of rats (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshimura Y
  • 学会等名: The 39th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • 招待講演
• [学会発表] Experience-dependent development of fine-scale networks and feature-selective synchronization in the visual cortex (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshimura Y
  • 学会等名: International Symposium 2016 ‘Circuit Construction in the Mammalian Brain’
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Visual experience-dependent and independent development of visually-evoked synchronized firing in rat visual cortex (2016)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa AW, Komatsu Y, Yoshimura Y
  • 学会等名: The 39th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] Synaptic connections are preferentially formed between cortical pyramidal neurons with similar orientation preference in both layers 2/3 and 5. (2016)
  • 著者名/発表者名: Karaki T, Kim R, Bito H, Yoshimura Y
  • 学会等名: The 39th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] Positive and negative regulation of activity-dependent axon branching in the developing cortex (2016)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto N
  • 学会等名: The 39th Annual Meeting of the Japan Neuroscience society
  • 招待講演
• [学会発表] Positive and negative regulators for activity-dependent thalamocortical axon branching (2016)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto N
  • 学会等名: International Symposium 2016 ‘Circuit Construction in the Mammalian Brain’
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Positive and negative mechanisms of activity-dependent circuit formation in the developing cortex (2016)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto N
  • 学会等名: Molecular Neurobiology Program Seminar in New York University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] DNA polymerase β function in neural progenitors is required for postmitotic neuronal survival and differentiation in the developing cortex (2016)
  • 著者名/発表者名: Ohnishi, K., Sugo, N., Toyoda, S., Hirayama, T., Yagi, T., Yamamoto, N.
  • 学会等名: The 39th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [図書] Live-cell single-molecule imaging with optogenetics reveals dynamics of a neuronal activity-dependent transcription factor. In: Single Molecule Microscopy in Neurobiology (2020)
  • 著者名/発表者名: Kitagawa H, Sugo N, Yamamoto N
  • 総ページ数: 11
  • 出版者: Humana Press
• [図書] Single Molecule Microscopy in Neurobiology. In: Single Molecule Microscopy in Neurobiology (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto N, Okada Y
  • 総ページ数: 34
  • 出版者: Humana Press
• [図書] 軸索分岐, 脳科学辞典 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山本亘彦
  • 出版者: 日本神経科学会