シナプスナノ形態解析による神経回路形成・制御機構の理解

• 研究課題/領域番号: 20H00481
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分46:神経科学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 岡部 繁男 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (60204012)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 45,500千円 (直接経費: 35,000千円、間接経費: 10,500千円); 2022年度: 14,040千円 (直接経費: 10,800千円、間接経費: 3,240千円); 2021年度: 14,040千円 (直接経費: 10,800千円、間接経費: 3,240千円); 2020年度: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
• キーワード: シナプス / 神経回路 / 細胞骨格 / 超解像顕微鏡 / インビボイメージング / ◎シナプス

研究開始時の研究の概要

脳高次機能の発現には適切なシナプスの形成・リモデリング・機能制御が必要である。しかしながらシナプスは数ミクロンからサブミクロンの構造体であり、その微細形態の正確な解析と機能評価を単一シナプスレベルで行うことは困難である。本研究では超解像顕微鏡技術を活用し、シナプスの構造、特にシナプス後部の樹状突起スパインの形態とその内部での分子動態・情報伝達の関係を精密測定に基づいて明らかにすることを目指す。更に培養系でのシナプスのナノスケールでの特徴を個体レベルの実験で得られた結果と結びつけるシステムを構築し、多数のシナプスの集団としての特徴が回路の性質をどのように規定するのか、その関係性を明らかにする。

研究成果の概要

本研究ではシナプスの微細形態と分子局在を解析するための先端的な技術を活用することで、スパインシナプスにおける分子動態と機能の関係を説明するモデルを構築し、そのモデルに基づいて脳内での神経回路における特徴的なシナプス構造を測定することを目的として研究を実施した。培養細胞におけるスパインシナプスのナノスケールでの形態測定により、スパイン頭部の曲率がシナプス安定化に寄与することを支持するモデルが得られ、これに対応するスパイン形態の変化を遺伝子改変マウスモデルにおいて培養細胞とマウス個体において解析することが組織透明化と組織拡大手法を取り入れることで可能となり、両者の共通性も確認できた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

脳の神経回路はヒトの感覚、行動、記憶、意識などに関連する情報処理の基盤となる構造であり、回路のつなぎ目となるシナプスの形成と機能調節のメカニズムを理解することはヒトの脳機能の理解とその病態の解明に貢献する。本研究によってシナプスの微細な構造、特にスパインシナプスの頭部の表面形状とシナプス機能の関連が明確になり、スパインシナプスを介した情報処理の研究の発展に貢献する事が期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] University of Edinburgh(英国)
• [国際共同研究] University of Colorado/Johns Hopkins School of Medicine(米国)
• [国際共同研究] University of Colorado/Johns Hopkins School of Medicine(米国)
• [雑誌論文] Necl2/3-mediated mechanism for tripartite synapse formation (2023)
  • 著者名/発表者名: Nozawa Osamu、Miyata Muneaki、Shiotani Hajime、Kameyama Takeshi、Komaki Ryouhei、Shimizu Tatsuhiro、Kuriu Toshihiko、Kashiwagi Yutaro、Sato Yuka、Koebisu Michinori、Aiba Atsu、Okabe Shigeo、Mizutani Kiyohito、Takai Yoshimi
  • 雑誌名: Development 巻: 150 号: 4 ページ: 12-42
  • DOI: 10.1242/dev.200931
  • 査読あり
• [雑誌論文] Three-dimensional mouse cochlea imaging based on the modified Sca/eS using confocal microscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Urata S, Okabe S
  • 雑誌名: Anatomical Science International 巻: - 号: 3 ページ: 309-317
  • DOI: 10.1007/s12565-023-00703-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In vivo Chronic Two-Photon Imaging of Microglia in the Mouse Hippocampus (2022)
  • 著者名/発表者名: Kamei Ryosuke、Urata Shinji、Maruoka Hisato、Okabe Shigeo
  • 雑誌名: Journal of Visualized Experiments 巻: - 号: 185
  • DOI: 10.3791/64104
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Simultaneous Imaging of Microglial Dynamics and Neuronal Activity in Awake Mice (2022)
  • 著者名/発表者名: Mauoka H, Kamei R, Mizutani S, Liu Q, Okabe S
  • 雑誌名: Journal of Visualized Experiments 巻: 186 号: 186
  • DOI: 10.3791/64111
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Imaging of spine synapses using super-resolution microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Yutaro Kashiwagi and Shigeo Okabe
  • 雑誌名: Anatomical Science International 巻: ahead of print 号: 3 ページ: 343-358
  • DOI: 10.1007/s12565-021-00603-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] The role of molecular diffusion within dendritic spines in synaptic function (2021)
  • 著者名/発表者名: Obashi K, Taraska JW, Okabe S.
  • 雑誌名: Journal of General Physiology 巻: 153 号: 4
  • DOI: 10.1085/jgp.202012814
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Canonical versus non-canonical transsynaptic signaling of neuroligin 3 tunes development of sociality in mice (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida T, Yamagata A, Imai A, Kim J, Izumi H, Nakashima S, Shiroshima T, Maeda A, Iwasawa-Okamoto S, Azechi K, Osaka F, Saitoh T, Maenaka K, Shimada T, Fukata Y, Fukata M, Matsumoto J, Nishijo H, Takao K, Tanaka S, Okabe S, Tabuchi K, Uemura T, Mishina M, Mori H & Fukai S
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12(1) 号: 1 ページ: 1848-1848
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22059-6
  • NAID: 120006996978
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Genetic dissection identifies Necdin as a driver gene in a mouse model of paternal 15q duplications. (2021)
  • 著者名/発表者名: Tamada K, Fukumoto K, Toya T, Nakai N, Awasthi JR, Tanaka S, Okabe S, Spitz F, Saitow F, Suzuki H, Takumi T
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 12 号: 1 ページ: 4506-4506
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24359-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Neuroscience20 (BRAIN20, SPINE20, and MENTAL20) Health Initiative: A Global Consortium Addressing the Human and Economic Burden of Brain, Spine, and Mental Disorders Through Neurotech Innovations and Policies (2021)
  • 著者名/発表者名: Morris Kevin、Nami Mohammad、Bolanos Joe F.、Lobo Maria A.、Sadri-Naini Melody、Fiallos John、Sanchez Gilberto E.、Bustos Teshia、Chintam Nikita、Amaya Marco、Strand Susanne E.、Mayuku-Dore Alero、Sakibova Indira、Biso Grace Maria Nicole、DeFilippis Alejandro、Okabe Shigeo、Kateb Babak
  • 雑誌名: Journal of Alzheimer's Disease 巻: 83 号: 4 ページ: 1563-1601
  • DOI: 10.3233/jad-215190
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The International Brain Initiative: enabling collaborative science (2021)
  • 著者名/発表者名: Quaglio Gianluca、Toia Patrizia、Moser Edvard I、Karapiperis Theodoros、Amunts Katrin、Okabe Shigeo、Poo Mu-ming、Rah Jong-Cheol、Koninck Yves De、Ngai John、Richards Linda、Bjaalie Jan G
  • 雑誌名: The Lancet Neurology 巻: 20 号: 12 ページ: 985-986
  • DOI: 10.1016/s1474-4422(21)00389-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Advanced Technologies for Local Neural Circuits in the Cerebral Cortex (2021)
  • 著者名/発表者名: Endo Masaaki、Maruoka Hisato、Okabe Shigeo
  • 雑誌名: Frontiers in Neuroanatomy 巻: 15 ページ: 757499-757499
  • DOI: 10.3389/fnana.2021.757499
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Recent advances in computational methods for measurement of dendritic spines imaged by light microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Okabe, S.
  • 雑誌名: Microscopy 巻: 69 号: 4 ページ: 196-213
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfaa016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Regulation of actin dynamics in dendritic spines: Nanostructure, molecular mobility, and signaling mechanisms (2020)
  • 著者名/発表者名: Okabe S.
  • 雑誌名: Molecular and Cellular Neuroscience 巻: 109 ページ: 103564-103564
  • DOI: 10.1016/j.mcn.2020.103564
  • 査読あり
• [雑誌論文] Geometry and the Organizational Principle of Spine Synapses along a Dendrite (2020)
  • 著者名/発表者名: Parajuli Laxmi Kumar、Urakubo Hidetoshi、Takahashi-Nakazato Ai、Ogelman Roberto、Iwasaki Hirohide、Koike Masato、Kwon Hyung-Bae、Ishii Shin、Oh Won Chan、Fukazawa Yugo、Okabe Shigeo
  • 雑誌名: eneuro 巻: 7 号: 6 ページ: 0248-20
  • DOI: 10.1523/eneuro.0248-20.2020
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 脳回路の病態を見る (2023)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 藤田医科大学ブレインサイエンスセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 先端イメージングによる脳神経回路の理解 (2023)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 「次世代電子顕微鏡法」社会連携講座第一期成果報告会・JST ERATO「超原子分解能電子顕微鏡」キックオフ会議
  • 招待講演
• [学会発表] イメージングによる神経・グリア相互作用の理解 (2023)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 日本生理学会第100回記念大会
  • 招待講演
• [学会発表] 超解像顕微鏡による記憶関連樹状突起スパインの三次元構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 柏木有太郎
  • 学会等名: 日本生理学会第100回記念大会
  • 招待講演
• [学会発表] Chronic in vivo imaging technique with a sub-second temporal resolution for simultaneous analysis of microglial dynamics and neuronal activity (2023)
  • 著者名/発表者名: 丸岡久人、亀井 亮佑、水谷 俊介、劉 慶瑞、岡部 繁男
  • 学会等名: 第128回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] Large-scale tracing of axons in pyramidal neurons using expansion microscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: 柏木有太郎、遠藤雅瑛、岡部繁男
  • 学会等名: 第128回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] Nanoscale imaging of hippocampal mossy fiber boutons (2023)
  • 著者名/発表者名: 遠藤雅瑛、岡部繁男
  • 学会等名: 第128回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] グリア細胞のイメージング (2022)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 第63回日本神経学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 先端イメージング技術で捉える脳神経回路：生理と病態 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 第４回量子生命科学会
  • 招待講演
• [学会発表] シナプスイメージングによる脳神経回路の発達と病態の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 第30回日本Cell Death学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] Development of microcolumns based on radial glial fibers during corticogenesis (2022)
  • 著者名/発表者名: Min Zhang, Hisato Maruoka, Shigeo Okabe
  • 学会等名: Neuro2022 第45回日本神経科学学会・第65回日本神経化学会大会・第32回日本神経回路学会大会 合同大会
• [学会発表] 軸索内微細構造解析のための新規蛍光電子相関顕微鏡技術の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴山 光耀、丸岡 久人、岡部 繁男、平林 祐介
  • 学会等名: Neuro2022 第45回日本神経科学学会・第65回日本神経化学会大会・第32回日本神経回路学会大会 合同大会
• [学会発表] BMP4欠損が前脳基底部からのコリン作動性投射に及ぼす影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 東 誉人、岡部 繁男、小林 靖
  • 学会等名: Neuro2022 第45回日本神経科学学会・第65回日本神経化学会大会・第32回日本神経回路学会大会 合同大会
• [学会発表] ミクログリア動態と神経細胞活動をサブ秒の時間分解能で同時に解析するin vivoイメージング技術 (2022)
  • 著者名/発表者名: 丸岡 久人、亀井 亮佑、水谷 俊介、劉 慶瑞、岡部 繁男
  • 学会等名: Neuro2022 第45回日本神経科学学会・第65回日本神経化学会大会・第32回日本神経回路学会大会 合同大会
• [学会発表] 大脳皮質錐体ニューロン解析のための生体内二光子顕微鏡と膨張顕微鏡を用いた相関顕微鏡手法の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柏木 有太郎、遠藤 雅瑛、寺嶋 宙、岡部 繁男
  • 学会等名: Neuro2022 第45回日本神経科学学会・第65回日本神経化学会大会・第32回日本神経回路学会大会 合同大会
• [学会発表] 二光子生体脳スパインイメージングで明らかになった恐怖条件付け記憶回路におけるスパイン新生 (2022)
  • 著者名/発表者名: 湊原 圭一郎、大波 壮一郎、岡部 繁男、尾藤 晴彦、奥野 浩行
  • 学会等名: Neuro2022 第45回日本神経科学学会・第65回日本神経化学会大会・第32回日本神経回路学会大会 合同大会
• [学会発表] コンピュータシミュレーションは樹状突起Ca2+シグナルがヘテロシナプス可塑性のために重要であることを示唆する (2022)
  • 著者名/発表者名: 浦久保 秀俊、Laxmi Kumar Parajuli、深澤 有吾、岡部 繁男、石井 信、窪田 芳之
  • 学会等名: Neuro2022 第45回日本神経科学学会・第65回日本神経化学会大会・第32回日本神経回路学会大会 合同大会
• [学会発表] 神経回路とグリアの先端イメージング (2022)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: リエゾンラボ炎症シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 先端イメージングによる脳神経回路の生理と病態の理解 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 第51回千里ライフサイエンス新適塾「難病への挑戦」
  • 招待講演
• [学会発表] イメージングによる脳神経回路の発達とその障害の理解 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 第33回日本緑内障学会
  • 招待講演
• [学会発表] 神経回路のリモデリングとグリアによる回路機能制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 第95回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] シナプスと脳回路のイメージングで探る生理と病態 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 順天堂大学イメージングセンターキックオフシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] シナプス形成とリモデリング‐イメージングによる生理と病態の理解 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 第95回日本薬理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Imaging brain disorders by two-photon excitation microscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男、亀井 亮佑、寺島宙
  • 学会等名: 第127回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] Computational geometry analysis of dendritic spines using the super-resolution technique (2022)
  • 著者名/発表者名: 柏木有太郎、岡部繁男
  • 学会等名: 第127回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] Generation and characterization of a TAP-tag knock-in mouse line to identify the potential ACF7-complex within the neuron (2022)
  • 著者名/発表者名: 鈴木悠里、柏木有太郎、岡部繁男
  • 学会等名: 第127回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] Microglia efficiently phagocytose hippocampal adult-born neurons by uniquely utilizing their ramified processes (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Kamei, Shinji Urata, Shigeo Okabe
  • 学会等名: 第127回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] 3D-morphological analysis of dendritic spines of memory-relating neurons using the super-resolution technique (2022)
  • 著者名/発表者名: Yutaro Kashiwagi, Keiichiro Minatohara, Shigeo Okabe
  • 学会等名: 第127回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] 大脳皮質第５層の機能的秩序構造 (2022)
  • 著者名/発表者名: 丸岡久人、張旻、 細谷俊彦、岡部繁男
  • 学会等名: 第127回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] Analysis of neural processing for contextual changes in the auditory cortex (2022)
  • 著者名/発表者名: 水谷俊介、岡部繁男
  • 学会等名: 第127回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] Fear memory recall facilitates spine formation in the activated neurons inducing the immediate-early gene Arc in the mouse hippocampus (2022)
  • 著者名/発表者名: Keiichiro Minatohara, Haruhiko Bito, Shigeo Okabe, Hiroyuki Okuno
  • 学会等名: 第127回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] シナプスの可視化とその脳疾患研究への応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 第43回生物学的精神医学会（BP）、第51回日本神経精神薬理学会（NP）
  • 招待講演
• [学会発表] 聴覚皮質における文脈変化の神経処理の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 水谷俊介、岡部繁男
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] 二光子in vivoイメージングにより明らかとなった、成体海馬新生ニューロンの貪食におけるミクログリアの突起のユニークな役割 (2021)
  • 著者名/発表者名: 亀井 亮佑、浦田 真次、岡部 繁男
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] 遺伝学的スクリーニングにより自閉症責任領域である15q11-q13重複症候群の原因としてNecdinが同定された (2021)
  • 著者名/発表者名: 玉田 紘太、福本 景太、戸谷 豪志、中井 信裕、Awasthi Janak、田中 慎二、岡部 繁男、Spitz Francois、内匠 透
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] 神経回路はどのように成熟するのか‐イメージングからわかってきたこと (2021)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 第126回日本解剖学会総会・全国学術集会、第98回日本生理学会大会 合同大会
  • 招待講演
• [学会発表] 二光子－高分解能蛍光相関顕微鏡法による皮質錐体神経細胞樹状突起スパインの解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 柏木有太郎 寺嶋宙 遠藤雅瑛 岡部繁男
  • 学会等名: 第126回日本解剖学会総会・全国学術集会、第98回日本生理学会大会 合同大会
• [学会発表] 自閉症マウスの皮質錐体神経細胞の形態学的解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 寺嶋宙 柏木有太郎 中澤敬信 岡部繁男
  • 学会等名: 第126回日本解剖学会総会・全国学術集会、第98回日本生理学会大会 合同大会
• [学会発表] 神経回路形成因子 LOTUS 遺伝子改変マウスにおける樹状突起スパイン動態の比較 (2021)
  • 著者名/発表者名: 遠藤雅瑛 田中慎二 竹居光太郎 岡部繁男
  • 学会等名: 第126回日本解剖学会総会・全国学術集会、第98回日本生理学会大会 合同大会
• [学会発表] 先端光学顕微鏡技術を活用した神経回路研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 岡部繁男
  • 学会等名: 先端顕微鏡技術セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Dendritic spines; nanostructure and molecular mobility (2020)
  • 著者名/発表者名: Shigeo Okabe
  • 学会等名: LFD Seminar Series
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 東京大学大学院医学系研究科神経細胞生物学分野
  • URL: http://synapse.m.u-tokyo.ac.jp/