脳深部錐体細胞の反応特異性を決定する樹状突起スパイン活動の機能イメージング

• 研究課題/領域番号: 20K21561
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分51:ブレインサイエンスおよびその関連分野
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 佐藤 正晃 北海道大学, 医学研究院, 講師 (90518325)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2021年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2020年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
• キーワード: 二光子レーザー顕微鏡 / カルシウムイメージング / 樹状突起スパイン

研究開始時の研究の概要

海馬錐体細胞の細胞体の活動は、テトロード電極を用いた細胞外記録やヘッドマウント型内視蛍光顕微鏡を用いたカルシウムイメージングなどでも記録できるが、樹状突起スパインのカルシウム応答のような微小な細胞内コンパートメントにおける閾値下の神経活動の記録には、現在のところ二光子顕微鏡を用いたカルシウムイメージングが最も適したアプローチである。海馬錐体細胞のスパイン密度は大脳皮質の細胞に比べて高く、またスパインネックも短いために、個々のスパインを十分に分離してイメージングすることは大脳皮質の場合よりもはるかに困難である。本研究は、このような技術的困難を新規技術の導入によって克服することを目指す。

研究成果の概要

記憶の形成に重要な役割を果たす海馬の錐体細胞は、動物の場所に特異的に活動する「場所細胞」としての性質をもつ。しかし、このような細胞反応の場所特異性がどのようなシナプス活動によって形成されるのかは明らかでない。本研究は、海馬錐体細胞の樹状突起スパインレベルのカルシウムイメージングの手法を確立するために、アデノ随伴ウイルスベクターまたはトランスジェニックマウスにより背側海馬CA1野の錐体細胞にスパイン特異的蛍光カルシウムセンサータンパク質を発現させ、そのin vivoイメージングにおける有用性を検討した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究課題では、特定のアデノ随伴ウイルスベクターを用いた遺伝子導入により、in vivoイメージングに必要な低密度での細胞標識が可能であることを示す結果が得られた。この成果をふまえ、今後はスパイン特異的蛍光カルシウムセンサータンパク質の発現によって樹状突起スパインの形態や密度が変化しないことを確認し、もしこれらに影響しなければ、マウスがバーチャル環境で空間学習するときの樹状突起スパイン活動の慢性イメージングへと進む計画である。このように、本研究課題の成果は、海馬の錐体細胞が行う情報処理の原理を理解する上で重要なステップとなるものである。

研究成果

• [雑誌論文] Multiple coordinated cellular dynamics mediate CA1 map plasticity (2021)
  • 著者名/発表者名: Mizuta Kotaro、Nakai Junichi、Hayashi Yasunori、Sato Masaaki
  • 雑誌名: Hippocampus 巻: 31 号: 3 ページ: 235-243
  • DOI: 10.1002/hipo.23300
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Distinct Mechanisms of Over-Representation of Landmarks and Rewards in the Hippocampus (2020)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Sato, Kotaro Mizuta, Tanvir Islam, Masako Kawano, Yukiko Sekine, Takashi Takekawa, Daniel Gomez-Dominguez, Alexander Schmidt, Fred Wolf, Karam Kim, Hiroshi Yamakawa, Masamichi Ohkura, Min Goo Lee, Tomoki Fukai, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 32 号: 1 ページ: 107864-107864
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107864
  • NAID: 120006867158
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] バーチャル環境下の脳活動イメージング：脳の動作原理の解明と疾患研究への応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 正晃
  • 学会等名: 第95回日本薬理学会年会
  • 招待講演
• [備考] 脳内地図を細胞レベルで観察 －自閉症関連遺伝子Shank2はランドマーク情報に必須－
  • URL: https://www.riken.jp/press/2020/20200708_1/index.html