広視野２光子励起顕微鏡による皮質神経伝播の機序と生理学的意義の解明

• 研究課題/領域番号: 20K06934
• 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46030:神経機能学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 太田 桂輔 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 助教 (40610382)
• 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: 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: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2020年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: 広視野2光子励起顕微鏡 / カルシウムイメージング / 大脳皮質 / 機能的ネットワーク / スモールワールドネットワーク / ハブ細胞 / 自動細胞検出 / アデノ随伴ウイルス / 2光子励起顕微鏡 / ネットワーク解析 / カルシウムセンサー / スモールワールド・ネットワーク / 神経伝播 / スケールフリー・ネットワーク / 広視野2光子顕微鏡

研究開始時の研究の概要

近年、大脳皮質内の活動が時々刻々と異なる脳領域に伝わる神経活動（神経伝播）が報告されている。これは同質の情報が時間に伴って異なる脳領域に伝わることを表す。この神経伝播は、異なる脳の部位はそれぞれ異なった機能を担うとする脳機能局在論とは相反する情報処理様式と言える。そこで本研究では神経伝播を新しい情報処理様式として捉える。広視野2光子顕微鏡を使って1つ1つの神経細胞の活動を記録し、神経伝播を生み出す大脳皮質のネットワークダイナミクスを追う。

研究成果の概要

脳は異なる役割を担う部位の集合体であり、各脳領域の神経細胞がシナプスを介して神経回路を形成し、その神経回路に高次脳機能が生まれると考えられている。しかしながら、多領域を越えて単一細胞の解像度で神経回路の活動を計測する観測系は確立しておらず、広域に渡る神経回路の機能的構造は不明であった。本研究では広視野2光子励起顕微鏡FASHIO-2PMにより覚醒マウスの大脳皮質2層から1万6000個以上の興奮性細胞の活動を計測し、ネットワークを解析した。大脳皮質の機能的ネットワークはスモールワールドネットワークの特性を有し、100以上の細胞と協調的に活動する非常にレアなハブ細胞の存在が明らかになった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

生きた動物の脳から単一神経細胞の活動を大規模に計測し、100以上の神経細胞と協調的に活動する機能的ハブ細胞を発見した。ハブ細胞の存在率は極めて低く、これは各神経細胞の活動が脳システム全体に与える影響力は一様ではなく、細胞ごとに偏っている可能性を示唆している。またスモールワールドネットワークの特性は、大脳皮質は局所的な細胞間だけではなく、物理的距離が離れた細胞であっても、神経活動の情報を効率的に共有していることを意味している。すなわち脳は、情報処理においてコストがかかりにくいエコなシステムであること示唆する結果を得た。

研究成果

• [雑誌論文] Low computational-cost cell detection method for calcium imaging data (2022)
  • 著者名/発表者名: Ito Tsubasa、Ota Keisuke、Ueno Kanako、Oisi Yasuhiro、Matsubara Chie、Kobayashi Kenta、Ohkura Masamichi、Nakai Junichi、Murayama Masanori、Aonishi Toru
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 179 ページ: 39-50
  • DOI: 10.1016/j.neures.2022.02.008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Breaking trade-offs: Development of fast, high-resolution, wide-field two-photon microscopes to reveal the computational principles of the brain (2022)
  • 著者名/発表者名: Ota Keisuke、Uwamori Hiroyuki、Ode Takahiro、Murayama Masanori
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 179 ページ: 3-14
  • DOI: 10.1016/j.neures.2022.03.010
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 大脳新皮質の機能的ネットワーク特性を明らかにする広視野高速2光子顕微鏡 (2022)
  • 著者名/発表者名: 太田桂輔, 村山正宜
  • 雑誌名: 月刊「細胞 巻: 54 ページ: 24-26
• [雑誌論文] 広視野2光子顕微鏡FASHIO-2PMの開発とその高機能化に向けて (2022)
  • 著者名/発表者名: 上森寛元, 太田桂輔, 村山正宜
  • 雑誌名: 生体の科学 巻: 73 ページ: 426-427
• [雑誌論文] Protocol for cortical-wide field-of-view two-photon imaging with quick neonatal adeno-associated virus injection (2021)
  • 著者名/発表者名: Oomoto Ikumi、Uwamori Hiroyuki、Matsubara Chie、Odagawa Maya、Kobayashi Midori、Kobayashi Kenta、Ota Keisuke、Murayama Masanori
  • 雑誌名: STAR Protocols 巻: 2 号: 4 ページ: 101007-101007
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2021.101007
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Improved neuronal ensemble inference with generative model and MCMC (2021)
  • 著者名/発表者名: Shun Kimura, Keisuke Ota, Koujin Takeda
  • 雑誌名: Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment 巻: 2021 ページ: 063501-063501
  • 査読あり
• [雑誌論文] Imaging data analysis using non-negative matrix factorization (2021)
  • 著者名/発表者名: Aonishi Toru、Maruyama Ryoichi、Ito Tsubasa、Miyakawa Hiroyoshi、Murayama Masanori、Ota Keisuke
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: - ページ: 51-56
  • DOI: 10.1016/j.neures.2021.12.001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fast, cell-resolution, contiguous-wide two-photon imaging to reveal functional network architectures across multi-modal cortical areas (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Ota, Y. Oisi, T. Suzuki, M. Ikeda, Y. Ito, T. Ito, H. Uwamori, K. Kobayashi, M. Kobayashi, M. Odagawa, C. Matsubara, Y. Kuroiwa, M. Horikoshi, J. Matsushita, H. Hioki, M. Ohkura, J. Nakai, M. Oizumi, A. Miyawaki, T. Aonishi, T. Ode and M. Murayama
  • 雑誌名: Neuron 巻: - 号: 11 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2021.03.032
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 単一細胞解像度の<i>in vivo</i>カルシウムイメージングを実現する広視野2光子励起顕微鏡 (2020)
  • 著者名/発表者名: Ota Keisuke、Ode Takahiro、Murayama Masanori
  • 雑誌名: 日本神経回路学会誌 巻: 27 号: 2 ページ: 55-65
  • DOI: 10.3902/jnns.27.55
  • NAID: 130007882385
  • ISSN: 1340-766X, 1883-0455
  • 年月日: 2020-06-05
  • オープンアクセス
• [学会発表] 広視野高速２光子顕微鏡 FASHIO-2PM による脳神経ネットワークのin vivo イメージング (2022)
  • 著者名/発表者名: 太田桂輔、村山正宜
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会 第46回関東支部講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Fast and wide field-of-view two-photon imaging with a single-cell resolution to reveal functional network proprieties. (2021)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Ota, Yasuhiro Oisi, Muneki Ikeda, Yoshiki Ito, Hiroyuki Uwamori, Kimura Shun, Kenta Kobayashi, Yoshinori Kuroiwa, Masaru Horikoshi, Junya Matsushita, Hiroyuki Hioki, Masamichi Ohkura, Junichi Nakai, Koujin Takeda, Masafumi Oizumi, Atsushi Miyawaki, Toru Aonishi, Takahiro Ode, Bito Haruhiko, Masanori Murayama
  • 学会等名: 第44回 日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] 広視野2光子顕微鏡によって明らかにされた大脳皮質の機能的ネットワーク (2021)
  • 著者名/発表者名: 太田桂輔
  • 学会等名: 第13回 数理モデリング研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 広視野2光子顕微鏡による単一細胞解像度in vivoカルシウムイメージング (2021)
  • 著者名/発表者名: 太田桂輔
  • 学会等名: 第49回 可視化情報シンポジウム
• [学会発表] Fast, cell-resolution and wide field-of-view two-photon imaging to reveal functional small-world networks of the cortex (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Ota, Y. Oisi, T. Suzuki, M. Ikeda, Y. Ito, T. Ito, H. Uwamori, K. Kobayashi, M. Kobayashi, M. Odagawa, C. Matsubara, Y. Kuroiwa, M. Horikoshi, J. Matsushita, H. Hioki, M. Ohkura, J. Nakai, M. Oizumi, A. Miyawaki, T. Aonishi, T. Ode, M. Murayama
  • 学会等名: EMBL Symposium: Seeing is Believing
  • 国際学会
• [学会発表] Cortical functional network proprieties revealed by “FASHIO-2PM”, a fast scanning and wide-field two-photon microscope with single-cell resolution (2021)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Ota
  • 学会等名: 第64回 日本神経化学会大会
• [備考] 脳の宇宙を捉える顕微鏡－世界初、多領域にまたがる神経ネットワークのエコ特性を発見－
  • URL: https://www.riken.jp/press/2021/20210420_1/
• [備考] 脳はハブ細胞が存在するエコなシステムであった
  • URL: https://www.jnss.org/news-topics?id=210608-01&u=fcf8a291ba5411489505b1a8200ca45b
• [備考] 脳の宇宙を捉える顕微鏡
  • URL: https://www.riken.jp/press/2021/20210420_1/index.html