多点同時記録と光操作の融合による単一神経細胞の入出力解析法の開発

• 研究課題/領域番号: 17K19462
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 神経科学およびその関連分野
• 研究機関: 大阪市立大学
• 研究代表者: 水関 健司 大阪市立大学, 大学院医学研究科, 教授 (80344448)
• 研究協力者: 松本 英之 ; 馬場 良子 ; 荒巻 知子
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2018年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2017年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
• キーワード: 単一神経細胞 / 大規模記録法 / 光遺伝学 / 入出力演算 / 投射先特異的 / 海馬 / 海馬台 / 自由行動下 / 大規模記録 / スパイク伝達 / シリコンプローブ / 情報処理 / シナプス結合 / 大規模同時記録法 / 投射先 / 相互相関解析 / 嗅内皮質 / 神経演算

研究成果の概要

本研究は、大規模同時記録法を用いて100個程度の神経細胞の発火活動を同時記録し、記録した神経細胞の全ての組み合わせにつき相互相関解析を行うことによって、個々の神経細胞の発火活動に加えて、細胞間のシナプス結合を網羅的に同定する技術を確立した。
さらに、大規模同時記録法で100個程度の神経細胞の発火活動を一斉に計測しながら光遺伝学的手法を援用し、チャネルロドプシンを発現させた神経細胞の軸索を投射先脳領域にて光で刺激することでアンチドロミックにスパイクが細胞体へ伝わることを指標にして、記録している神経細胞の投射先を同定する技術を確立した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、大規模同時記録法と相互相関解析を融合させ、自由に行動する動物の脳において、単一細胞の入出力演算を網羅的に検出する技術を開発した。さらに、大規模同時記録により多数の神経細胞の発火活動を一斉に計測しながら光操作を援用して、記録している神経細胞の出力先の脳領域を同定する技術を開発した。これらの開発した技術は脳領域・動物種を問わず適用可能であるため、本研究の成果は脳研究の様々な局面に幅広く応用され、単一細胞レベルの入出力演算を包括的に理解し、投射先特異的な情報処理機構を明らかにするための基盤技術となることが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] University of Wisconsin-Milwaukee/University of Michigan/NIMH/NIH/DHHS(米国)
• [国際共同研究] Ruhr-University Bochum(ドイツ)
• [雑誌論文] PET imaging of 11C-labeled coenzyme Q10: Comparison of biodistribution between [11C]ubiquinol-10 and [11C]ubiquinone-10. (2019)
  • 著者名/発表者名: Watanabe K, Nozaki S, Goto M, Kaneko KI, Hayashinaka E, Irie S, Nishiyama A, Kasai K, Fujii K, Wada Y, Mizuno K, Mizuseki K, Doi H, Watanabe Y.
  • 雑誌名: Biochem Biophys Res Commun 巻: － 号: 3 ページ: 611-615
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2019.03.073
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hippocampal Reactivation Extends for Several Hours Following Novel Experience. (2019)
  • 著者名/発表者名: Giri B, Miyawaki H, Mizuseki K, Cheng S, Diba K.
  • 雑誌名: J Neurosci 巻: 39 号: 5 ページ: 866-875
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1950-18.2018
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The subiculum: Unique hippocampal hub and more (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Nobuyoshi、Kitanishi Takuma、Mizuseki Kenji
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 143 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1016/j.neures.2018.08.002
  • NAID: 120006866799
  • URL: https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2020118
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reconstructing Neuronal Circuitry from Parallel Spike Trains (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryota Kobayashi, Shuhei Kurita, Katsunori Kitano, Kenji Mizuseki, Barry J. Richmond, Shigeru Shinomoto
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: 1-14
  • DOI: 10.1101/334078
  • NAID: 120006728081
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hippocampal information processing across sleep/wake cycles (2017)
  • 著者名/発表者名: Mizuseki,K., and Miyawaki,H.
  • 雑誌名: Neurosci. Res. 巻: 118 ページ: 30-47
  • DOI: 10.1016/j.neures.2017.04.018
  • NAID: 120006360996
  • URL: https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2020117
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Speed representation in the hippocampus and entorhinal cortex (2019)
  • 著者名/発表者名: 岩瀬元貞、北西卓磨、水関健司
  • 学会等名: 第9回アジア・オセアニア生理学会連合大会＆第96回日本生理学会合同大会
  • 国際学会
• [学会発表] Optogenetic identification of subicular projection targets during large-scale recording (2018)
  • 著者名/発表者名: Kenji Mizuseki
  • 学会等名: Joint symposium of 10th optogenetics research conference and second international symposium on brain information dynamics 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 海馬、嗅内皮質における速度表現 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岩瀬元貞、北西卓磨、水関健司
  • 学会等名: 第41回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] 海馬・扁桃体・前頭前野による記憶と行動決定のメカニズム (2018)
  • 著者名/発表者名: 水関健司
  • 学会等名: 遺伝研研究会 遺伝要因と環境の相互作用による行動決定のメカニズム
• [学会発表] Large-scale extracellular recording to uncover the mechanism of generating spatial coding in the hippocampus (2018)
  • 著者名/発表者名: 北西卓磨、水関健司
  • 学会等名: 新学術領域「生物移動情報学」国際シンポジウム
  • 国際学会
• [学会発表] Temporal coordination of neuronal activity in the entorhinal-hippocampal loop (2018)
  • 著者名/発表者名: Kenji Mizuseki
  • 学会等名: The 4th CiNet Conference - Functional and anatomical connectivity, Center for Information and Neural Networks (CiNet)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Regulation of neuronal excitability by REM sleep (2018)
  • 著者名/発表者名: Kenji Mizuseki
  • 学会等名: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas, “Principles of memory dynamism elucidated from a diversity of learning systems” 2018 Workshop and Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 海馬の神経回路における情報処理機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 水関 健司
  • 学会等名: 名古屋大学 環境医学研究所セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 睡眠時における海馬の情報処理機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 水関 健司
  • 学会等名: 日本睡眠学会
  • 招待講演
• [学会発表] 海馬の情報処理機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 水関 健司
  • 学会等名: 大阪市立大学 杉本・阿倍野ライフサイエンス談話会
  • 招待講演
• [学会発表] 海馬の神経回路における情報処理機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 水関 健司
  • 学会等名: 大阪大学大学院生命機能研究科 生命機能研究科セミナー
  • 招待講演
• [図書] Handbook of Sleep Research (2019)
  • 著者名/発表者名: Mizuseki,K., and Miyawaki,H.
  • 出版者: Elsevier
• [図書] ブレインサイエンス・レビュー 2018 (2018)
  • 著者名/発表者名: 水関健司
  • 総ページ数: 32
  • 出版者: クバプロ
• [備考] 大阪市立大学医学部 神経生理学教室
  • URL: http://www.med.osaka-cu.ac.jp/physiology2/index.html
• [備考] 大阪市立大学医学部 神経生理学教室
  • URL: http://www.med.osaka-cu.ac.jp/physiology2/
• [備考] 大阪市立大学大学院医学研究科 神経生理学
  • URL: http://www.med.osaka-cu.ac.jp/departments/bunshi-cellsignaling.shtml
• [備考] google scholar citations
  • URL: https://scholar.google.com/citations?user=Yfq0HloAAAAJ&hl=en
• [備考] ResearcherID
  • URL: http://www.researcherid.com/ProfileView.action?SID=U2CKOS4B8uP7NxEuUB4&returnCode=ROUTER.Success&queryString=KG0UuZjN5Wmgu8pvTYBecFnF160J2BGXTakfdOBaKFY%253D&SrcApp=CR&Init=Yes
• [備考] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/kenjimizuseki/?lang=japanese