発達期視床におけるヒゲ経験依存的シナプス再編の神経活動依存性の解析

• 研究課題/領域番号: 20K06862
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 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: 東京女子医科大学
• 研究代表者: 河村 寿子 (中山寿子) 東京女子医科大学, 医学部, 講師 (70397181)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2020年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 視床 / 生後発達 / 神経活動 / DREADDs / シナプス刈り込み / シナプスリモデリング / シナプス再編成 / シナプス / リモデリング / 発達

研究開始時の研究の概要

視床神経回路をモデルにして生後の経験依存的なシナプス再編の各過程（「選別」「強化」「刈り込み」）が、入力線維、シナプス後細胞、両者間のシナプス伝達に如何に依存するかを調べる。Kir2.1、NaChBac、テタヌストキシンを発現するAAVを生直後の脳に接種して神経活度操作を行う。本研究では、ヒゲ経路特異的Cre発現マウスとCre依存的遺伝子発現AAVベクターを用いて、経路特異的に神経活動操作と蛍光標識を行う。生後21日目以降に急性脳スライスを作成し、パッチクランプでシナプス応答を測定して「強化」と「刈り込み」の評価を行うとともに、形態学的に入力線維の由来を識別して「選別」の評価を行う。

研究実績の概要

所属研究室内外の先行論文および未発表データから、PrV2由来の内側毛帯と視床VPmニューロン間のシナプス結合においてマウスの生後12-15日目(P12-P15)がヒゲ抜去に対する臨界期であり、この期間のヒゲ抜去はシナプス強化と刈り込みを障害することが知られていたが、その前後の時期の入力線維PrV2およびシナプス後細胞VPmニューロンの神経活動がPrV2-VPmシナプスの選択的強化と刈り込みに及ぼす作用は不明であった。これまでに、抑制性DREADDs(hM4D(Gi))を発現するAAVを生後0-2日目の新生マウスのPrV2・VPm（シナプス前・後細胞)に発現させ、P8-P11、P12-P15、P16-P19の各期間にCNOを腹腔投与することによって神経活動を時期特異的に抑制し、その後P21以降まで通常飼育したのちに、PrV2-VPmシナプス伝達を電気生理学的に解析した。その結果、P12-P15ではPrV2とVPmいずれの神経活動抑制もシナプス刈り込みを障害したが、P8-P11ではPrV2の活動抑制でのみシナプス刈り込みが障害されるという結果が得られ、PrV2-VPmシナプスの刈り込み過程に、PrV2の活動にのみ依存する時期が存在することが示唆された。しかしながら、P8-P11に行ったVPmの活動抑制の影響が、P21以降のシナプス解析までの期間にマスクされた可能性も考えられたため、P8-P11でのVPm活動抑制直後のP12-P13でシナプス伝達を解析した。その結果、P12-P13においてもシナプス刈り込みが正常であることを確認した。また、発達時期およびPrV2とVPm毎の活動抑制で残存する多重支配シナプスの由来に関する形態学的解析は、DREADDsを発現したPrV2ニューロン由来のシナプス終末を可視化するために新たなAAVを入手して現在も進行中である。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

2022年度には2020年度に開始したAAVによる抑制性DREADDs発現実験を継続し、先行研究で報告されているヒゲ抜去に対する臨界期以前にもシナプス前・後ニューロンそれぞれの神経活動に依存的なシナプス刈り込みとシナプス強度の増強機構が存在すること、および、臨界期後の神経活動がシナプス強度の維持に役割を担うことを示すデータを得ることができた。条件ごとに残存する多重支配シナプスの由来に違いがあるか否かを検討する形態学的解析は現在も進行中であるものの、論文として投稿準備を行っている。一方で、同時進行中で本課題にも関連するプロジェクトのエフォートが大きくなったため、本課題の進捗が当初計画よりもやや遅れる結果となったことは否めない。

今後の研究の推進方策

2023年度は、遂行中である神経活動抑制によるシナプス刈り込みを形態学的に評価する実験を行い、DREADDsによる神経活動の解析結果と合わせて研究の総括を行い、学会等で成果報告を行うとともに論文として公表することを目指す。

研究成果

• [雑誌論文] CTCF loss induces giant lamellar bodies in Purkinje cell dendrites. (2022)
  • 著者名/発表者名: Teruyoshi Hirayama, Yuuki Kadooka, Etsuko Tarusawa, Sei Saitoh, Hisako Nakayama, Natsumi Hoshino, Soichiro Nakama, Takahiro Fukuishi, Yudai Kawanishi, Hiroki Umeshima, Koichi Tomita, Yumiko Yoshimura, Niels Galjart, Kouichi Hashimoto, Nobuhiko Ohno, Takeshi Yagi
  • 雑誌名: Acta Neuropathol Commun. 巻: Nov 29;10(1):172 号: 1 ページ: 172-172
  • DOI: 10.1186/s40478-022-01478-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An Autism-Associated Neuroligin-3 Mutation Affects Developmental Synapse Elimination in the Cerebellum (2021)
  • 著者名/発表者名: Lai Esther Suk King、Nakayama Hisako、Miyazaki Taisuke、Nakazawa Takanobu、Tabuchi Katsuhiko、Hashimoto Kouichi、Watanabe Masahiko、Kano Masanobu
  • 雑誌名: Frontiers in Neural Circuits 巻: 15 ページ: 676891-676891
  • DOI: 10.3389/fncir.2021.676891
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spike firing attenuation of serotonin neurons in learned helplessness rats is reversed by ketamine (2021)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto Kouichi、Yamawaki Yosuke、Yamaoka Kenji、Yoshida Takayuki、Okada Kana、Tan Wanqin、Yamasaki Miwako、Matsumoto-Makidono Yoshiko、Kubo Reika、Nakayama Hisako、Kataoka Tsutomu、Kanematsu Takashi、Watanabe Masahiko、Okamoto Yasumasa、Morinobu Shigeru、Aizawa Hidenori、Yamawaki Shigeto
  • 雑誌名: Brain Communications 巻: 3 号: 4 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1093/braincomms/fcab285
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tonic GABAergic inhibition is essential for nerve injury-induced afferent remodeling in the somatosensory thalamus and associated ectopic sensations (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagumo Y, Ueta Y, Nakayama H, Osaki H, Takeuchi Y, Uesaka N, Kano M, Miyata M
  • 雑誌名: Cell Rep 巻: 31 号: 12 ページ: 107797-107797
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107797
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 思春期の社会隔離による視床神経回路の改編 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中山寿子、宮田麻理子
  • 学会等名: 日本生理学会第100回記念大会
• [学会発表] 社会性ストレスによる視床シナプス結合の改編 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中山寿子、宮田麻理子
  • 学会等名: NEURO2022
  • 国際学会
• [学会発表] 社会性ストレスによる視床神経回路の改編 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中山寿子、宮田麻理子
  • 学会等名: 第99回 日本生理学会大会
• [学会発表] 発達期視床ヒゲ領域シナプス結合の選択的強化と単一支配の獲得における視床ニューロン神経活動の役割 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中山寿子、宮田麻理子
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会 / 第1回CJK国際会議