レム睡眠中の記憶固定化におけるSRFの役割

• 研究課題/領域番号: 19F19310
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 外国
• 審査区分: 小区分10040:実験心理学関連
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 坂口 昌徳 筑波大学, 国際統合睡眠医科学研究機構, 准教授 (60407088)
• 研究分担者: SRINIVASAN SAKTHIVEL 筑波大学, 国際統合睡眠医科学研究機構, 外国人特別研究員
• 研究期間 (年度): 2019-11-08 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2021年度)
• 配分額: 2,300千円 (直接経費: 2,300千円); 2021年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 2020年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 2019年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
• キーワード: 記憶 / レム睡眠 / 新生ニューロン / シナプス可塑性

研究開始時の研究の概要

睡眠中に記憶が固定化されるメカニズムには不明な点が多い. 我々は次世代シークエンサーを用いた遺伝子解析により, ある転写因子が,　海馬のニューロンを介した睡眠中の記憶固定化に重要な役割を果たすことを示唆するデータを得た. そこで本研究では, これらのニューロン特異的に本転写因子を発現誘導しその効果を行動学, 電気生理学, スパイン構造解析で明らかにする. さらに, 記憶固定化に伴って睡眠中に記憶回路が成熟していく過程を, 学習中に活性化したニューロンの再活動(リプレイ)から詳細に分析する. 本研究を通じて, 睡眠中の記憶固定化における分子メカニズムの解明を目指す.

研究実績の概要

レム睡眠中の記憶定着のメカニズムはほとんどが不明である。近年、オプトジェネティクスを用いて、脳の中隔核と呼ばれる場所にある特定のニューロンの活動をレム睡眠時にのみ抑制すると、記憶の固定化が阻害されることが明らかになった。この細胞群は、レム睡眠時の海馬の神経同期活動を調節していることが明らかになり、そのことが記憶の固定化に関係していると予想された。実際、海馬の神経シナプス活動は、そのシナプス可塑性に重要な役割を果たしていることが知られている。しかし、レム睡眠時のシナプス可塑性と記憶の固定化との機能的な因果関係は明らかにされていない。
一方、成人の脳では、失われた神経細胞は通常、再生されません。しかし、海馬の歯状回と呼ばれる脳の小さな部分では、ごく少数ではありますが、毎日一定数の神経細胞が再生されています。これを新生ニューロンと呼びます。新生ニューロンは、学習や忘却といった記憶に関わる重要な働きをしていることが知られている。一方で、記憶は睡眠に強く影響されます。　私たちは最近、レム睡眠中の新生ニューロンの発火が、記憶の定着に不可欠な役割を果たしていることを発見しました。今回の研究では、新生ニューロンのシナプスの構造が変化し、それが記憶の固定化に関係していることを発見しました。また、次世代シークエンサーを用いた遺伝子解析により、シナプス可塑性に重要な転写因子であるSerum Response Factorが、前述の新生ニューロンを介して、レム睡眠時の記憶固定に重要な役割を果たしていることを示唆するデータが得られました。本研究では、新生ニューロンのシナプス可塑性に着目し、睡眠時の記憶固定におけるその意義を明らかにしたい。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

レム睡眠中の記憶固定に関わる神経活動は、依然として謎に包まれている。私たちは、記憶の固定化に関連するレム睡眠時の記憶回路の成熟過程を、イメージングによって可視化することを試みました。実際に、Ca-imagingを用いて、睡眠中を含む活性化された新生の神経細胞を、学習から記憶の固定、想起まで詳細に解析した。そのために、新生ニューロンの活動を数時間にわたって連続的に記録し、同じ細胞を追跡する技術の開発に成功したのである。これは、睡眠中の新生ニューロンの神経活動を捉えた初めての研究である。さらに、この手法を応用し、記憶学習課題との組み合わせを検討しました。意外なことに、学習後のレム睡眠時には、新生ニューロンの活動が一時的に低下することがわかりました。一方で、学習中に活動していた少数の残存ニューロンは、実際に再活性化していることがわかりました。このことから、新生ニューロンはレム睡眠中の記憶の再活性化に寄与していると考えられます。レム睡眠中に記憶の再活性化が明確に観察された例は、世界的に見てもほとんどありません。さらに、睡眠中に変動する海馬歯状回の分子を詳細に解析したところ、シナプス可塑性に関与するさまざまな分子の変動が記録されていた。

今後の研究の推進方策

私たちは、成体マウスの海馬に存在する新生ニューロンが、睡眠中の記憶固定に必要であることを明らかにしました（Neuron 107:1-14, 2020）。また、シナプス構造解析やトランスクリプトーム解析の結果から、レム睡眠時の記憶固定には新生ニューロンのシナプス可塑性が重要であることが示唆されました。本研究では、レム睡眠時の記憶定着におけるシナプス可塑性の役割を調べた。本研究では、独自に開発したマイクロエンドスコープと光遺伝学を組み合わせて、睡眠中のシナプス可塑性を操作し、その記憶定着への意義を検証していきます。前年度の研究から、AAVを用いた遺伝子改変技術を確立し、カルシウム蛍光中心を海馬歯状回に効率よく感染させるシステムを構築しました。また、AAVとマイクロ蛍光顕微鏡を組み合わせた写真撮影技術を確立しました。また、観察だけでなく、神経活動を操作する技術も確立しました。今後はこの研究を継続し、新生ニューロンにおけるシナプス可塑性と記憶の固定化の意義を明らかにしていきます。睡眠中の記憶固定におけるシナプス可塑性の機能は明らかになっていません。本研究により、睡眠中に脳が自律的に記憶を処理する原理が明らかになる可能性があります。その破綻は、記憶障害やPTSDなどの病態に関与しています。本研究では、記憶固定におけるシナプス可塑性の意義を明らかにするとともに、その破綻に基づく記憶障害の新たな分類や治療法の開発に貢献したいと考えています。

研究成果

• [国際共同研究] Nathan Klein Institute/Columbia University(米国)
• [国際共同研究] Edinburgh University(英国)
• [国際共同研究] Nathan Klein Institute/Columbia University(米国)
• [国際共同研究] Edinburgh University(英国)
• [雑誌論文] Fear generalization immediately after contextual fear memory consolidation in mice (2021)
  • 著者名/発表者名: Yu Jiahui、Naoi Toshie、Sakaguchi Masanori
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 558 ページ: 102-106
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2021.04.072
  • 査読あり
• [雑誌論文] Remapping of Adult-Born Neuron Activity during Fear Memory Consolidation in Mice (2021)
  • 著者名/発表者名: Vergara Pablo、Kumar Deependra、Srinivasan Sakthivel、Koyanagi Iyo、Naoi Toshie、Singh Sima、Sakaguchi Masanori
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 22 号: 6 ページ: 2874-2874
  • DOI: 10.3390/ijms22062874
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Metabolic fingerprints of fear memory consolidation during sleep (2021)
  • 著者名/発表者名: Koyanagi I, Sonomura K, Naoi T, Ohnishi T, Kaneko N, Sawamoto K, Sato TA, Sakaguchi M
  • 雑誌名: Molecular Brain 巻: 14 号: 1 ページ: 30-30
  • DOI: 10.1186/s13041-021-00733-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Calcium imaging of adult-born neurons in freely moving mice (2021)
  • 著者名/発表者名: Carrier-Ruiz Alvaro、Sugaya Yuki、Kumar Deependra、Vergara Pablo、Koyanagi Iyo、Srinivasan Sakthivel、Naoi Toshie、Kano Masanobu、Sakaguchi Masanori
  • 雑誌名: STAR Protocols 巻: 2 号: 1 ページ: 100238-100238
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2020.100238
  • URL: https://localhost/en/publications/30556d9d-8fc1-41be-9265-2d403f063047
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sparse Activity of Hippocampal Adult-Born Neurons during REM Sleep Is Necessary for Memory Consolidation (2020)
  • 著者名/発表者名: Kumar D, Koyanagi I, Carrier-Ruiz A, Vergara P, Srinivasan S, Sugaya Y, Kasuya M, Yu TS, Vogt K, Muratani M, Ohnishi T, Singh S, Teixeira CM, Cherasse Y, Naoi T, Wang Y, Nondhalee P, Osman BAH, Kaneko N, Sawamoto K, Kernie SG, Sakurai T, McHugh TJ, Kano M, Yanagisawa M, Sakaguchi M
  • 雑誌名: Neuron 巻: 107 号: 3 ページ: 552
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2020.05.008
  • URL: https://localhost/en/publications/1d845831-3ee8-4cde-ae73-3f4d6bcffcb0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mechanisms Underlying Memory Consolidation by Adult-Born Neurons During Sleep (2020)
  • 著者名/発表者名: Vergara Pablo、Sakaguchi Masanori
  • 雑誌名: Frontiers in Cellular Neuroscience 巻: 14
  • DOI: 10.3389/fncel.2020.594401
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Progressive Changes in Sleep and Its Relations to Amyloid-β Distribution and Learning in Single App Knock-In Mice (2020)
  • 著者名/発表者名: Maezono Sakura Eri B.、Kanuka Mika、Tatsuzawa Chika、Morita Miho、Kawano Taizo、Kashiwagi Mitsuaki、Nondhalee Pimpimon、Sakaguchi Masanori、Saito Takashi、Saido Takaomi C.、Hayashi Yu
  • 雑誌名: eneuro 巻: 7 号: 2 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1523/eneuro.0093-20.2020
  • NAID: 120007163363
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Miniaturized microscope with flexible light source input for neuronal imaging and manipulation in freely behaving animals (2019)
  • 著者名/発表者名: Srinivasan Sakthivel、Hosokawa Takuma、Vergara Pablo、Cherasse Yoan、Naoi Toshie、Sakurai Takeshi、Sakaguchi Masanori
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 517 号: 3 ページ: 520-524
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2019.07.082
  • NAID: 120007127674
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Memory consolidation during sleep and adult hippocampal neurogenesis (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakaguchi Masanori、Koyanagi Iyo、Akers Katherine、Vergara Pablo、Srinivasan Sakthivel、Sakurai Takeshi
  • 雑誌名: Neural Regeneration Research 巻: 14 号: 1 ページ: 20-20
  • DOI: 10.4103/1673-5374.243695
  • NAID: 120007133609
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] TBA (2021)
  • 著者名/発表者名: Masanori Sakaguchi
  • 学会等名: The 43rd Japanese Society for Biological Psychiatry, The 51st Japanese Society of Neuropsychopharmacology
  • 招待講演
• [学会発表] Function of adult-born neurons for memory consolidation during sleep (2021)
  • 著者名/発表者名: Masanori Sakaguchi
  • 学会等名: The 98th Annual Meeting of the Japanese Society for Physiology
  • 招待講演
• [学会発表] Mechanisms of traumatic memory processing during sleep (2021)
  • 著者名/発表者名: Masanori Sakaguchi
  • 学会等名: The 13rd Japanese Society of Anxiety and Related Disorders
  • 招待講演
• [学会発表] Fear memory regulation by adult-born neurons during REM sleep (2020)
  • 著者名/発表者名: Masanori Sakaguchi
  • 学会等名: The 63rd Annual Meeting of the Japanese Society for Neurochemistry
  • 招待講演
• [学会発表] Application of the adult-born neurons for PTSD (2020)
  • 著者名/発表者名: Masanori Sakaguchi
  • 学会等名: The 12th Symposium of Japanese Society for Anxiety and Related Disorders
  • 招待講演
• [学会発表] Symposium: Unique coding in the self-replenishing memory circuit: the dentate gyrus (2020)
  • 著者名/発表者名: Masanori Sakaguchi
  • 学会等名: OIST neuroscience online seminar (ONOS)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Necessity of adult-born neurons for memory consolidation during REM sleep (2019)
  • 著者名/発表者名: Masanori Sakaguchi
  • 学会等名: Toyama Forum for Academic Summit on "Dynamic Brain"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The mechanism of fear memory consolidation during sleep using animal model (2019)
  • 著者名/発表者名: Masanori Sakaguchi
  • 学会等名: The 49th Japanese Society of Neurophsychopharmacology
  • 招待講演
• [学会発表] Function of adult-born neurons in maturation of fear memory engram during sleep (2019)
  • 著者名/発表者名: Masanori Sakaguchi
  • 学会等名: The 10th IBRO World congress of Neuroscience
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The fear memory processing during sleep for a new therapy of PTSD (2019)
  • 著者名/発表者名: Masanori Sakaguchi
  • 学会等名: The 18th Japanese Traumatic Stress Conference
  • 招待講演
• [備考] Sakaguchi Lab HP
  • URL: https://sakaguchi-lab.org/publications.html
• [備考] Sakaguchi Lab HP
  • URL: https://sakaguchi-lab.org/
• [備考] UCLA miniscoep 制作記事
  • URL: http://sakaguchi-miniscope.blogspot.com/
• [産業財産権] 小型撮像装置 (2019)
  • 発明者名: 手塚太郎, 細川拓馬, 坂口昌徳
  • 権利者名: 筑波大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2019
• [産業財産権] 判定装置,光照射装置,及びプログラム (2019)
  • 発明者名: 手塚太郎, 坂口昌徳
  • 権利者名: 筑波大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2019