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記憶を生み出す神経回路可塑性の光技術を駆使した理解

研究課題

研究課題/領域番号 23K23984
補助金の研究課題番号 22H02721 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分46010:神経科学一般関連
研究機関京都大学

研究代表者

川口 真也  京都大学, 理学研究科, 教授 (00378530)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2024年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2023年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2022年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
キーワードシナプス可塑性 / 小脳 / 可視化 / 学習 / 神経回路 / シナプス / 可塑性 / 蛍光イメージング / プルキンエ細胞 / 軸索 / 膜電位 / イメージング / 長期抑圧
研究開始時の研究の概要

動物の学習を実現する神経回路メカニズムを理解するために、学習の細胞基盤であるシナプス可塑性を可視化する蛍光プローブと細胞膜電位の蛍光イメージングを組み合わせて動物個体に適用する。そして、学習成立時にシナプス可塑性がいかに個々の細胞の情報処理を変化させて神経回路を作り変えるかを究明する。特に本研究では、独自の光技術と最高難度のパッチクランプ技術を駆使し、個々のシナプスから細胞レベル・複数細胞群に至るまで広範に神経活動と可塑性の時空間パターンを解析し、動物個体でシナプスの可塑性が記憶・学習へ至る過程を包括的に明らかにする。

研究実績の概要

本研究では、動物の学習を実現する神経回路メカニズムを理解するために、学習の細胞基盤であるシナプス可塑性を可視化する蛍光プローブと細胞膜電位の蛍光イメージングを組み合わせて動物個体に適用し、学習成立時にシナプス可塑性がいかに個々の細胞の情報処理を変化させて神経回路を作り変えるかを究明することを目指している。
本年度の研究から、動物の運動学習の基盤として着目されてきたシナプス可塑性である小脳長期抑圧を蛍光可視化するLTDプローブの動態について、パッチクランプ記録とCa2+蛍光イメージングとを併用した定量的な実験を実施した。その結果、LTD誘導に足る強力なCa2+濃度上昇が刺激部位から周囲に広がればLTD標識される空間も広がること、ただしその周辺で起こる程度の弱いCa2+上昇によってのみではLTPが誘導されないこと、などCa2+とLTDの関係性を強度と空間パターンで紐づけることが出来た。さらにその研究過程で予期せず、一過的なグルタミン酸刺激に応じて、Ca2+上昇自体が局所かつ持続的に生じるという意外性の高い現象を見出すことに成功し、その分子メカニズムについても知見が集積しつつある。また、膜電位イメージングによる樹状突起の情報演算プロセスの解析から、小脳プルキンエ細胞と海馬錐体細胞がそれぞれ有する特徴的な樹状突起の分枝パターンそのものが、突起での電位変化の広がりを強く規定することを見出した。
動物個体での運動学習を定量評価する行動実験系の瞬目条件反射付けに関して、学習成立に多くの訓練実施が好ましいという従来の考えを修正する可能性のある、訓練の量・密度と学習効率に関して意外性の高い関係性を見出し、その回路メカニズムに迫るデータ収集を進めている。
これらの研究成果に関して、精力的に学会発表等を行い、一部はプレプリントで公表し、複数論文にまとめ上げる準備を進めている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

昨年度までに実施を目指した、小脳プルキンエ細胞でのLTDの蛍光標識を高S/N比で確立することに成功しており、マウス個体におけるプローブ発現にも上手く挑戦が進んでいる。
さらに、予想外にユニークな可塑性と関連したCa2+シグナルの局所・長期的な発動を蛍光で捉えることにも成功している。それに加えて、動物の学習を定量評価するための行動実験パラダイムにおいても、系の確立と基本的性質を解析する中で、学習機構そのものに関する予想外の訓練と学習効率の関係性を導出することにも成功しており、当初構想を超えた幅広く研究が展開している。

今後の研究の推進方策

当初目的である、運動学習基盤となる小脳でのシナプス可塑性のLTD蛍光標識について、TET-offシステムとAAVを組み合わせたプルキンエ細胞特異的な蛍光プローブの導入に成功しており、それを駆使して、ユニークな学習機構の提示に成功しつつある瞬目反射条件付けの成立とLTD標識部位との関係性を蛍光可視化により解析することを主たる研究の方向性として強く推進する。
また、研究過程で予想外に見出した神経細胞における複数の情報処理の柔軟な仕組みや、細胞内Ca2+濃度上昇自体が持続的シグナルになる現象など、それぞれ分子メカニズムや生理的意義など解析を更にすすめて理解深化をはかり、それぞれユニークな知見を論文公刊につなげるだけのデータの質・量を確保することを意識的に実施し、最終年度での研究締めくくりをを成果発表の形で結実させる。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (36件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 1件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (26件) (うち国際学会 3件、 招待講演 3件) 図書 (3件)

  • [国際共同研究] Instituto de Investigaciones Biologicas(ウルグアイ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] CNRS(フランス)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Biol Res Ins Clemente Estable(ウルグアイ)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Analogue signaling of somatodendritic synaptic activity to axon enhances GABA release in young cerebellar molecular layer interneurons2023

    • 著者名/発表者名
      Trigo Federico、Kawaguchi Shin-ya
    • 雑誌名

      eLife

      巻: 12 ページ: 1-24

    • DOI

      10.7554/elife.85971

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Timing Control of Purkinje Cell Outputs by Dual cAMP Actions on Axonal Action Potential and Transmitter Release2023

    • 著者名/発表者名
      Furukawa Kei、Inoshita Takuma、Kawaguchi Shin-ya
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: -

    • DOI

      10.1101/2023.09.14.557678

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Cl<sup>-</sup>-dependent amplification of excitatory synaptic potentials at distal dendrites revealed by voltage imaging2023

    • 著者名/発表者名
      Morita Masato、Higashi Reo、Kawaguchi Shin-ya
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: -

    • DOI

      10.1101/2023.05.29.542696

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Analogue signaling of somato-dendritic synaptic activity to axon enhances GABA release in young cerebellar molecular layer interneurons2022

    • 著者名/発表者名
      Trigo Federico F.、Kawaguchi Shin-ya
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: -

    • DOI

      10.1101/2022.10.18.512768

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際共著
  • [学会発表] 樹状突起における高頻度グルタミン酸入力後の局所持続的カルシウム上昇2024

    • 著者名/発表者名
      大川理久、川口真也
    • 学会等名
      第101回日本生理学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 海馬における LTP シナプスの長期可視化2024

    • 著者名/発表者名
      杉本優友、川口真也
    • 学会等名
      第101回日本生理学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 対刺激比率が低い場合の瞬目反射条件付けの成立2024

    • 著者名/発表者名
      岩瀬綾汰、川口真也
    • 学会等名
      第101回日本生理学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 蛍光膜電位イメージングが見せた小脳プルキンエ細胞におけるシナプス入力の時空間演算2023

    • 著者名/発表者名
      東 玲於、川口 真也
    • 学会等名
      第46回神経科学大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 小脳プルキンエ細胞においてcAMPが活動電位およびシナプス出力を制御する生物物理機構2023

    • 著者名/発表者名
      古川 慧、川口 真也
    • 学会等名
      第46回神経科学大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 異なるカナビノイド受容体によるプルキンエ細胞シナプスでの対照的な伝達物質放出調節2023

    • 著者名/発表者名
      井下 拓真、川口 真也
    • 学会等名
      第46回神経科学大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 蛍光プローブによる小脳LTDの発現空間パターン可視化2023

    • 著者名/発表者名
      大川 理久、川口 真也
    • 学会等名
      第46回神経科学大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 瞬目反射条件付けは対刺激の比率を下げても成立する2023

    • 著者名/発表者名
      岩瀬 綾汰、川口 真也
    • 学会等名
      第46回神経科学大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 海馬シナプス長期増強を反映する蛍光プローブの空間集積2023

    • 著者名/発表者名
      杉本 優友、川口 真也
    • 学会等名
      第46回神経科学大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 樹状突起におけるシナプス入力の非対称性修飾を介した時空間統合の動的特性2023

    • 著者名/発表者名
      森田 雅登、川口 真也
    • 学会等名
      第46回神経科学大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Asymmetric spread of membrane potential changes in neuronal dendrites2023

    • 著者名/発表者名
      川口 真也
    • 学会等名
      日本生理学会 第100回記念大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Spatial pattern of LTD establishment in a cerebellar Purkinje cell Spatial pattern of LTD establishment in a cerebellar Purkinje cell2023

    • 著者名/発表者名
      川口 真也
    • 学会等名
      Hamburg Univ. - Kyoto Univ. joint symposium
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Impact of cAMP on action potential propagation and synaptic outputs in cerebellar Purkinje cell axons2023

    • 著者名/発表者名
      Kei Furukawa, Shin-ya Kawaguchi
    • 学会等名
      JSPS core to core program symposium
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Cl-dependent asymmetric propagation of excitatory synaptic inputs in hippocampal neuronal dendrites2023

    • 著者名/発表者名
      Masato Morita, Shin-ya Kawaguchi
    • 学会等名
      JSPS core to core program symposium
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 小脳プルキンエ細胞終末におけるCB2によるCa2+流入減弱を介したシナプス伝達抑制の量的制御2023

    • 著者名/発表者名
      井下 拓真、川口 真也
    • 学会等名
      日本生理学会 第100回記念大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 小脳プルキンエ細胞における活動電位伝導を支配する膜興奮性のcAMPによる調節2023

    • 著者名/発表者名
      古川 慧、川口 真也
    • 学会等名
      日本生理学会 第100回記念大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 海馬神経細胞での細胞内Cl-濃度に依存した興奮性シナプス入力修飾2023

    • 著者名/発表者名
      森田 雅登、川口 真也
    • 学会等名
      日本生理学会 第100回記念大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 瞬目反射条件付けにおける対刺激比率の変化と学習成立2023

    • 著者名/発表者名
      岩瀬 綾汰、川口 真也
    • 学会等名
      日本生理学会 第100回記念大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 蛍光プローブによる小脳長期抑圧発現の可視化2023

    • 著者名/発表者名
      大川 理久、川口 真也
    • 学会等名
      日本生理学会 第100回記念大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 小脳プルキンエ細胞における興奮性シナプス後電位の広域伝播2023

    • 著者名/発表者名
      東 玲於、川口 真也
    • 学会等名
      日本生理学会 第100回記念大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 海馬神経細胞におけるシナプス長期増強を起こすシグナル経路の長期可視化2023

    • 著者名/発表者名
      杉本 優友、川口 真也
    • 学会等名
      日本生理学会 第100回記念大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 神経細胞での情報演算機構の実計測による革新2022

    • 著者名/発表者名
      川口 真也
    • 学会等名
      定量生物の会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 海馬神経細胞の樹状突起における低Cl-濃度依存的な興奮性入力の非対称調節2022

    • 著者名/発表者名
      森田 雅登、川口 真也
    • 学会等名
      生理学研究所 研究会「次世代シナプス生理学による脳神経機能の理解」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] シナプス小胞膜融合のカンナビノイドによる調節の軸索終末パッチクランプ記録による生物物理学的解析2022

    • 著者名/発表者名
      井下 拓真、川口 真也
    • 学会等名
      NEURO2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 小脳プルキンエ細胞軸索における活動電位伝播と伝達物質放出のcAMPによる修飾2022

    • 著者名/発表者名
      古川 慧、川口 真也
    • 学会等名
      NEURO2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 海馬神経細胞における樹状突起内での興奮性及び抑制性シナプス入力の独自修飾2022

    • 著者名/発表者名
      森田 雅登、川口 真也
    • 学会等名
      NEURO2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [図書] Essentials of Cerebellum and Cerebellar Disorders (pp.191-195)2023

    • 著者名/発表者名
      Tomoo Hirano, Shin-ya Kawaguchi
    • 総ページ数
      5
    • 出版者
      Springer
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [図書] 生体の科学 74(1) 抑制性シナプスの機能設計2023

    • 著者名/発表者名
      川口真也
    • 総ページ数
      4
    • 出版者
      医学書院
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [図書] Clinical Neuroscience vol 40, no. 8 伝達物質の量子放出の発見2022

    • 著者名/発表者名
      川口真也
    • 総ページ数
      3
    • 出版者
      中外医学社
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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