学習する培養神経回路の構成とそのシステム解析

• 研究課題/領域番号: 15KT0082
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 特設分野
• 研究分野: 構成的システム生物学
• 研究機関: 京都大学 (2017-2018); 同志社大学 (2015-2016)
• 研究代表者: 川口 真也 京都大学, 産官学連携本部, 特定准教授 (00378530)
• 研究協力者: 坂場 武史
• 研究期間 (年度): 2015-07-10 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 12,870千円 (直接経費: 9,900千円、間接経費: 2,970千円); 2018年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2017年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2016年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2015年度: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円)
• キーワード: 神経細胞 / シナプス / イメージング / 膜電位 / 可塑性 / 軸索 / パッチクランプ / 培養神経回路 / 学習 / シナプス可塑性 / 神経回路 / 可視化 / 蛍光イメージング / 光刺激 / 自己組織化 / 培養神経細胞 / 人工知能 / 培養細胞

研究成果の概要

動物の学習や記憶を生みだす神経回路の柔軟性の実体を理解するには、同時に多数の神経細胞の活動やシナプスの機能変化を大規模に捉えることが重要である。本研究では、神経細胞活動を蛍光変化として検出するするための膜電位イメージングプローブを開発することにより、神経回路の動態および可塑的機能変化の時空間パターンを観測できるようになった。
また、蛍光イメージングや細胞微小コンパートメントからの直接パッチクランプ記録により、小脳神経回路を構成する様々なシナプスでの可塑性メカニズムを明らかした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

記憶や学習がいかなる神経回路の情報処理変化によりもたらされるかを理解することは、認知症など高次脳機能障害の原因・対処法に繋がる基盤となる。本研究で得られた神経細胞の活動を大規模に観測することを可能にする革新的光技術と、神経回路の柔軟性を生みだす細胞・分子レベルでのメカニズムについての知見は、神経系の作動原理の理解を深化させ、さらに将来の発展につながる基礎となるものと言える。

研究成果

• [国際共同研究] Paris Descartes University/CNRS(フランス)
• [国際共同研究] CNRS(フランス)
• [雑誌論文] Synaptic m6A Epitranscriptome Reveals Functional Partitioning of Localized Transcripts for Dynamic Tripartite Synapse Modulation. (2018)
  • 著者名/発表者名: Merkurjev, D., Hong, W. T., Iida, K., Oomoto, I., Goldie, B. J., Yamaguti, H., Ohara, T. Kawaguchi, S. Y., Hirano, T., Martin, K. C., Pellegrini, M. & Wang, D. O.
  • 雑誌名: Nature Neuroscience 巻: 21 号: 7 ページ: 1004-1014
  • DOI: 10.1038/s41593-018-0173-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Vesicular GABA Uptake Can Be Rate Limiting for Recovery of IPSCs from Synaptic Depression. (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamashita M, Kawaguchi SY, Hori T, Takahashi T.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 22 号: 12 ページ: 3134-3141
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2018.02.080
  • NAID: 120006425878
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Axonal GABAA receptors depolarize presynaptic terminals and facilitate transmitter release in cerebellar Purkinje cells. (2017)
  • 著者名/発表者名: Zorrilla de San Martin J, Trigo FF, Kawaguchi SY.
  • 雑誌名: The Journal of Physiology 巻: 595 号: 24 ページ: 7477-7493
  • DOI: 10.1113/jp275369
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fast Ca2+ Buffer-Dependent Reliable but Plastic Transmission at Small CNS Synapses Revealed by Direct Bouton Recording. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kawaguchi SY, Sakaba T.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 21 号: 12 ページ: 3338-3345
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2017.11.072
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ca(2+) current facilitation determines short-term facilitation at inhibitory synapses between cerebellar Purkinje cells. (2015)
  • 著者名/発表者名: Francois Diaz-Rojas, Takeshi Sakaba, Shin-ya Kawaguchi
  • 雑誌名: The Journal of Physiology 巻: 593 号: 22 ページ: 4889-4904
  • DOI: 10.1113/jp270704
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Control of Synaptic Outputs by Dynamic Axonal Excitability (2019)
  • 著者名/発表者名: Shin-ya Kawaguchi
  • 学会等名: 9th FAOPS Congress
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 小脳神経回路における軸索・シナプス前部での動的情報処理 (2018)
  • 著者名/発表者名: 川口 真也
  • 学会等名: 第41回 日本神経科学大会
  • 招待講演
• [学会発表] Experimental and model analysis of transmitter release mechanisms at small presynaptic terminals in the CNS (2017)
  • 著者名/発表者名: Shin-ya Kawaguchi
  • 学会等名: 日本生理学大会
  • 発表場所: アクトシティ浜松（静岡県浜松市）
  • 年月日: 2017-03-30
  • 招待講演
• [学会発表] Regulatory mechanism of transmitter release at a small presynaptic terminal. (2017)
  • 著者名/発表者名: 川口真也
  • 学会等名: 日本神経科学大会
  • 招待講演
• [学会発表] Biophysics and short-term plasticity in cerebellar small presynaptic terminals (2016)
  • 著者名/発表者名: Shin-ya Kawaguchi
  • 学会等名: JSPS & OIST Joint Symposium
  • 発表場所: OIST（沖縄県恩納村）
  • 年月日: 2016-09-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Short-term facilitation is predominantly mediated by presynaptic Ca2+ current facilitation at Purkinje cell - Purkinje cell synapses (2015)
  • 著者名/発表者名: Francois Diaz-Rojas, Takeshi Sakaba, Shin-ya Kawaguchi
  • 学会等名: 北米神経科学会大会 sfn2015
  • 発表場所: 米国 シカゴ
  • 年月日: 2015-10-17
  • 国際学会
• [学会発表] 軸索終末での活動電位調節による短期シナプス可塑性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 川口真也、坂場武史
  • 学会等名: 第38回日本神経科学大会
  • 発表場所: 神戸市
  • 年月日: 2015-07-29