記憶をつくるシナプス・細胞集団の光技術による可視化と動態解析

• 研究課題/領域番号: 18H02527
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分46010:神経科学一般関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 川口 真也 京都大学, 理学研究科, 教授 (00378530)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円); 2021年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2020年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2019年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2018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: シナプス / 可塑性 / 学習 / 蛍光イメージング / 長期抑圧 / プルキンエ細胞 / 軸索 / 活動電位 / シナプス可塑性 / 細胞膜電位 / 受容体 / イメージング / 神経回路 / IP3受容体 / 伝達物質放出 / 小脳 / 軸索終末 / 可視化

研究成果の概要

動物の記憶・学習を実現する神経回路の機能変化の実体は、未だに良く分かっていない。本研究では、申請者が独自開発を続けている学習の細胞基盤であるシナプス可塑性を検出する蛍光プローブと細胞膜電位の蛍光イメージングを組み合わせ、シナプス可塑性がいかに個々の神経細胞の情報処理を変化させ、それが神経回路レベルでどのような演算変化を生み出すかを明らかにすることを目指した。
本研究により、長期抑圧が発現した部位を生きたマウスで蛍光標識する技術が整い、また長期抑圧の発現に関する空間情報を精緻に明らかにできつつある。一方で、当初予想していない新たな神経細胞の機能的可塑性が、大きな時空間枠で起こることも見出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

動物における記憶や学習の仕組みを理解するには、複雑な神経回路の中でどのような機能変化の集合体が重要か、を明らかにする必要があり、その実現には幅広い時空間スケールで神経細胞集団の精緻な機能解析を行わなければいけない。本研究で確立した、神経細胞の電気活動や記憶・学習の基礎過程であるシナプス可塑性を光で捕捉する技術は、そうした記憶・学習が実際の生きた動物の中でどのように起こり、それが神経回路の情報の流れをどのように変化させるのかについて理解することを可能にする。したがって、本研究成果は、動物の状況に応じた環境適応の根本メカニズムの理解に繋がる重要な意義をもっている。

研究成果

• [国際共同研究] CNRS(フランス)
• [国際共同研究] CNRS/Universite de Paris(フランス)
• [国際共同研究] IIBCE(ウルグアイ)
• [国際共同研究] Paris Descartes University/CNRS(フランス)
• [雑誌論文] Influence of spatially segregated IP3-producing pathways on spike generation and transmitter release in Purkinje cell axons (2020)
  • 著者名/発表者名: Gomez Laura C.、Kawaguchi Shin-ya、Collin Thibault、Jalil Abdelali、Gomez Maria del Pilar、Nasi Enrico、Marty Alain、Llano Isabel
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 117 号: 20 ページ: 11097-11108
  • DOI: 10.1073/pnas.2000148117
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamic Factors for Transmitter Release at Small Presynaptic Boutons Revealed by Direct Patch-Clamp Recordings (2019)
  • 著者名/発表者名: Kawaguchi Shin-ya
  • 雑誌名: Frontiers in Cellular Neuroscience 巻: 13 ページ: 269-269
  • DOI: 10.3389/fncel.2019.00269
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Editorial: Control of Presynaptic Function by Axonal Dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: Trigo Federico F.、Kawaguchi Shin-ya
  • 雑誌名: Frontiers in Cellular Neuroscience 巻: 13 ページ: 543-543
  • DOI: 10.3389/fncel.2019.00543
  • NAID: 120006841667
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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
• [学会発表] Modulation of synaptic outputs of a cerebellar Purkinje cell by cannabinoid revealed by bouton recordings (2022)
  • 著者名/発表者名: 井下拓真、川口真也
  • 学会等名: 日本生理学会大会
• [学会発表] cAMP attenuates action potential conduction in cerebellar Purkinje cell axons (2022)
  • 著者名/発表者名: 古川慧、川口真也
  • 学会等名: 日本生理学会大会
• [学会発表] 海馬神経細胞における興奮性シナプス入力の方向依存的調節の膜電位イメージングによる可視化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 森田 雅登、川口 真也
  • 学会等名: 第98回日本生理学会大会
• [学会発表] 膜電位感受性蛍光プローブを用いた神経活動の時空間解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 森田 雅登、平野 丈夫、川口 真也
  • 学会等名: 第72回日本細胞生物学会大会
• [学会発表] Spatio-temporal integration of synaptic inputs in hippocampal neurons studied by membrane potential imaging (2020)
  • 著者名/発表者名: 森田 雅登、平野 丈夫、川口 真也
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
• [学会発表] 海馬神経細胞におけるシナプス入力統合の膜電位イメージングによる時空間解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 森田雅登、平野丈夫、川口真也
  • 学会等名: 第97回 日本生理学会大会
• [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
• [図書] 生体の科学 [特集]小脳研究の未来 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口 真也
  • 出版者: 公益財団法人金原一郎記念医学医療振興財団/医学書院
• [備考] 研究代表者の研究室ホームページ
  • URL: http://www.nb.biophys.kyoto-u.ac.jp
• [備考] 研究代表者の研究室HP
  • URL: http://www.nb.biophys.kyoto-u.ac.jp/research.html