大脳皮質神経細胞へのシナプス入力の定量的解析

• 研究課題/領域番号: 25290012
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 一部基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 神経生理学・神経科学一般
• 研究機関: 生理学研究所
• 研究代表者: 窪田 芳之 生理学研究所, 基盤神経科学研究領域, 准教授 (90192567)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円); 2016年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2015年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2014年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2013年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
• キーワード: 大脳皮質 / 神経回路 / 錐体細胞 / 非錐体細胞 / 抑制 / 可塑性 / in vivo imaging / シナプス / 棘突起 / 樹状突起 / 電子顕微鏡 / ３次元再構築 / 視床 / 神経科学 / 解剖学 / 共焦点顕微鏡 / 抑制性シナプス / 興奮性シナプス / gephyrin / PSD95 / 動態 / in vivo

研究成果の概要

大脳皮質はヒトが生きて行く上で必要な脳機能を司る。しかしながら、その局所神経回路の構築はいまだ謎のままである。本研究では、電子顕微鏡観察により、ラットの５層の錐体細胞に入力するシナプスを定量的に解析したところ、約２万個のシナプス入力があることを推定できた。それらのうちおよそ２割は抑制性の入力であるが、抑制性シナプスの大きさはターゲットの大きさに依存しており、効率的な抑制効果をターゲットにもたらしていることが想像できる。また、棘突起に入力するものは出現消失を繰り返すものがあり、可塑的に興奮性入力を調整していると考えている。固定的な神経回路は常に可変的変化を示していることを示唆する。

研究成果

• [国際共同研究] Max Planck Institute/Carl Zeiss Microscopy(ドイツ)
• [国際共同研究] Massachusetts Institute of Technology(米国)
• [国際共同研究] Massachusetts Institute of Technology(米国)
• [国際共同研究] CRICM-UPMC(フランス)
• [国際共同研究] Juelich Research institute(ドイツ)
• [雑誌論文] A carbon nanotube tape for serial-section electron microscopy of brain ultrastructure (2018)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y, Sohn J, Hatada S, Schurr M, StraehleJ, Gour A, Neujahr R, MikiT, Mikula S, Kawaguchi Y
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 9 号: 1 ページ: 437-437
  • DOI: 10.1038/s41467-017-02768-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The diversity of cortical inhibitory synapses. (2016)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y, Karube F, Nomura M, Kawaguchi Y
  • 雑誌名: Front Neural Circuits 巻: 10 ページ: 27-27
  • DOI: 10.3389/fncir.2016.00027
  • NAID: 120005980914
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Inhibitory synapses are repeatedly assembled and removed at persistent sites in vivo (2016)
  • 著者名/発表者名: Villa KL, Berry KP, Subramanian J, Cha JW, Oh CO, Kwon H-B, Kubota Y, So PT, Nedivi, E
  • 雑誌名: Neuron 巻: 89 号: 4 ページ: 756-769
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2016.01.010
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Cortical divergent projections in mice originate from two sequentially generated, distinct populations of excitatory cortical neurons with different initial axonal outgrowth characteristics. (2015)
  • 著者名/発表者名: Hatanaka, Y., Namikawa, T., Yamauchi, K., & Kawaguchi, Y.
  • 雑誌名: Cereb. Cortex 巻: - 号: 5 ページ: 2257-2270
  • DOI: 10.1093/cercor/bhv077
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Functional effects of distinct innervation styles of pyramidal cells by fast spiking cortical interneurons (2015)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y, Kondo S, Nomura M, Hatada S, Yamaguchi N, Mohamed AA, Karube F, Luebke J, Kawaguchi Y
  • 雑誌名: eLife 巻: 4
  • DOI: 10.7554/elife.07919
  • NAID: 120005997706
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] New developments in electron microscopy for serial image acquisition of neuronal profiles (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Kubota
  • 雑誌名: Microscopy 巻: 64 号: 1 ページ: 27-36
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfu111
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Input integration around the dendritic branches in hippocampal dentate granule cells (2014)
  • 著者名/発表者名: Kamijo C.T., Hayakawa H., Fukushima Y., Kubota Y., Isomura Y., Tsukada, M., and Aihara T.
  • 雑誌名: Cognitive Neurodynamics 巻: Online 号: 4 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1007/s11571-014-9280-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Untangling GABAergic wiring in the cortical microcircuit (2014)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y
  • 雑誌名: Current Opinion in Neurobiology 巻: 26 ページ: 7-14
  • DOI: 10.1016/j.conb.2013.10.003
  • 査読あり
• [雑誌論文] 大脳皮質の神経細胞と局所神経回路 (2014)
  • 著者名/発表者名: 窪田 芳之
  • 雑誌名: 日本神経回路学会誌 巻: 21 号: 3 ページ: 122-131
  • DOI: 10.3902/jnns.21.122
  • NAID: 130004713864
  • ISSN: 1340-766X, 1883-0455
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Cortical NO interneurons: from embryogenesis to functions (2013)
  • 著者名/発表者名: Tricoire L, Kubota Y, Cauli B
  • 雑誌名: Front Neural Circuits 巻: 7 ページ: 105-105
  • DOI: 10.3389/fncir.2013.00105
  • 査読あり
• [雑誌論文] New insights into the classification and nomenclature of cortical GABAergic interneurons (2013)
  • 著者名/発表者名: DeFelipe J, Lopez-Cruz PL, Kawaguchi Y, Kisvarday Z, Kubota Y
  • 雑誌名: Nature Reviews Neuroscience 巻: 14 号: 3 ページ: 202-216
  • DOI: 10.1038/nrn3444
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functional Significance of Rall's Power of Three Halves Law in Cortical Nonpyramidal Cells (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Kubota
  • 雑誌名: Advances in Cognitive Neurodynamics (III) 巻: XVI ページ: 45-51
  • DOI: 10.1007/978-94-007-4792-0_7
  • ISBN: 9789400747913, 9789400747920
  • 査読あり
• [学会発表] Synapse density and estimated number on various neurons of the rat frontal cortex (2017)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y
  • 学会等名: 第94回日本生理学会大会シンポジウム「シナプス分布による神経情報制御の最前線」
  • 発表場所: 静岡県浜松市、アクトシティ浜松
  • 年月日: 2017-03-28
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A novel conductive material for ATUMtome tape -Carbon Nanotube- (2017)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y
  • 学会等名: Max Planck/HHMI Connectomics Conference Berlin 2017 シンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ATUMtome 用の新開発テープと高解像画像用組織処理法 (2017)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之、孫在隣、畑田小百合、川口泰雄
  • 学会等名: 第73回日本顕微鏡学会学術集会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] A novel tape for ATUMtome and high resolution electron microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y, Sohn S, Hatada S, Kawaguchi Y
  • 学会等名: 第40回日本神経科学大会
• [学会発表] The Diversity of Cortical Inhibitory Synapses (2017)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y, Kawaguchi Y
  • 学会等名: The 48th NIPS International Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A conductive novel tape material and a new staining protocol for volume electron microscopy applications (2017)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y, Sohn S, Hatada S, Schurr M, Straehle J, Gour AG, Neujahr R, Mikula S, Kawaguchi Y
  • 学会等名: 47th Annual meeting of the Society for Neuroscience
  • 国際学会
• [学会発表] Conserved dimensions of dendritic trees in cortical pyramidal cell (2016)
  • 著者名/発表者名: Mohamed AA, Yamaguchi N, Hatada S, Luebke J, Kawaguchi Y, Kubota Y
  • 学会等名: The 7th International Neural Microcircuit Conference -Recent advances in the analysis of cortical microcircuits-
  • 発表場所: 愛知県岡崎市、岡崎コンファレンスセンター
  • 年月日: 2016-12-09
  • 国際学会
• [学会発表] The Diversity of Cortical Inhibitory Synapses. (2016)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y
  • 学会等名: The 7th International Neural Microcircuit Conference - Recent advances in the analysis of cortical microcircuits -
  • 発表場所: 愛知県岡崎市、岡崎コンファレンスセンター
  • 年月日: 2016-12-08
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] GABAergic/non-GABAergic synaptic inputs to striatal medium spiny neurons (2016)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y, Kawaguchi Y
  • 学会等名: 46th annual meeting of the Society for Neuroscience
  • 発表場所: 米国、San Diego、San Diego Convention Center
  • 年月日: 2016-11-12
  • 国際学会
• [学会発表] GABAergic inputs to spine of striatal medium spiny neurons (2016)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y, Kawaguchi Y
  • 学会等名: 第39回日本神経科学大会
  • 発表場所: 神奈川県横浜市、パシフィコ横浜
  • 年月日: 2016-07-20
• [学会発表] An excitatory and inhibitory synapse density on various neurons in the rat frontal cortex (2016)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y, Sekigawa A, Mohamed AA, Kondo S, Karube F, Tanaka Y, Kawaguchi Y,
  • 学会等名: EMBO Dendrites 2016 meeting
  • 発表場所: ギリシャ、クレタ島
  • 年月日: 2016-06-18
  • 国際学会
• [学会発表] Structurally authentic model pyramidal and non-pyramidal cells. (2016)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y
  • 学会等名: Digital Representation of Neuronal Morphologies and Tissue: OIST workshop 2016:
  • 発表場所: 沖縄県恩納村、OIST
  • 年月日: 2016-04-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ATUMtome/SEMを使った神経組織の３次元再構築解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 第122回日本解剖学会総会・全国学術集会 シンポジウム
  • 発表場所: パレット福島（福島県郡山市）
  • 年月日: 2016-03-30
  • 招待講演
• [学会発表] 神経科学における電顕の役割 (2016)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 第5回大脳基底核機能研究会
  • 発表場所: 生理学研究所（愛知県岡崎市）
  • 年月日: 2016-03-18
  • 招待講演
• [学会発表] 神経科学における電顕の役割 (2016)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 第16回日立BIO電顕セミナー（大阪会場）
  • 発表場所: メルパルク大阪（大阪府大阪市）
  • 年月日: 2016-03-09
  • 招待講演
• [学会発表] 神経科学における電顕の役割 (2016)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 第16回日立BIO電顕セミナー（神奈川会場）
  • 発表場所: 神奈川サイエンスパーク（神奈川県川崎市）
  • 年月日: 2016-03-08
  • 招待講演
• [学会発表] 大脳皮質FSバスケット細胞による５層錐体細胞神経支配の様式 (2015)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 平成27年度生理研研究会「シナプス・神経ネットワークの機能ダイナミクス」
  • 発表場所: 生理学研究所（愛知県岡崎市）
  • 年月日: 2015-12-03
  • 招待講演
• [学会発表] An excitatory and inhibitory synapse density on various nonpyramidal cells in the rat cerebral cortex (2015)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y
  • 学会等名: The 2nd East-Asia Microscopy Conference シンポジウム “Connectmics”
  • 発表場所: 姫路商工会議所（兵庫県姫路市）
  • 年月日: 2015-11-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Functional effects of distinct innervation styles of pyramidal cells by fast spiking cortical interneurons (2015)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 第38回日本神経科学会大会 シンポジウム ”Wiring Inhibitory Synapses and Circuits”
  • 発表場所: 神戸コンベンションセンター（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2015-07-29
  • 招待講演
• [学会発表] ATUMtomeを使った脳組織観察法 (2015)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 第10回自然科学研究機構技術研究会
  • 発表場所: 岡崎コンファレンスセンター（愛知県岡崎市）
  • 年月日: 2015-06-18
  • 招待講演
• [学会発表] ATUMtomeおよびSBEMを使った脳組織観察法 (2015)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会「SEM連続断面観察による生物組織三次元再構築法研究部会」第三回研究会
  • 発表場所: 山梨県甲州市「ぶどうの丘」
  • 年月日: 2015-03-25
  • 招待講演
• [学会発表] Dynamic behavior of inhibitory synapse on pyramidal cell (2015)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 第120回日本解剖学会総会・全国学術集会、第92回日本生理学会大会
  • 発表場所: 神戸コンベンションセンター（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2015-03-22
  • 招待講演
• [学会発表] 大脳皮質錐体細胞棘突起へ入力する抑制性シナプスの動態 (2015)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 自然科学研究機構プロジェクト合同シンポジウム 「脳神経情報の階層的研究」
  • 発表場所: 生理学研究所（愛知県岡崎市）
  • 年月日: 2015-03-11
  • 招待講演
• [学会発表] Conserved dimensional properties of dendritic trees in cortical pyramidal cell (2014)
  • 著者名/発表者名: Y Kubota, AA Mohamed, N Yamaguchi, S Hatada, J Luebke, Y Kawaguchi
  • 学会等名: 44th annual meeting of the Society for Neuroscience
  • 発表場所: Washington DC, USA
  • 年月日: 2014-11-16
• [学会発表] 大脳皮質錐体細胞の樹状突起の形態解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之、AA Mohamed、根東覚、野村真樹、川口泰雄
  • 学会等名: 第10回IIRSセミナー
  • 発表場所: 東京大学（東京都文京区）
  • 年月日: 2014-11-07
• [学会発表] Cortical fast spiking basket cell inhibition on pyramidal cells through multiple modalities and innervation styles (2014)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y
  • 学会等名: 4th Joint CIN-NIPS Symposium University of Tuebingen
  • 発表場所: Univ. Tuebingen、ドイツ
  • 年月日: 2014-10-06
  • 招待講演
• [学会発表] Conserved dimensional properties of dendritic trees in cortical pyramidal cell (2014)
  • 著者名/発表者名: AA Mohamed, N Yamaguchi, S Hatada, J Luebke, Y Kawaguchi, Y Kubota
  • 学会等名: 第37回 日本神経科学大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2014-09-13
• [学会発表] TEM, FIB/SEM, DiK-SEMを使った神経組織の電子顕微鏡連続切片作製 (2014)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 第91回日本生理学会大会
  • 発表場所: 鹿児島大学、鹿児島市、鹿児島県
  • 招待講演
• [学会発表] TEM, FIB/SEM, DiK-SEMを使った神経組織の電子顕微鏡連続切片作製 (2014)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 第119回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • 発表場所: 自治医科大学、小山市、栃木県
  • 招待講演
• [学会発表] Locally limited conductance of IPSC elicited by fast spiking interneurons synapsing onto cortical pyramidal cell (2013)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 第36回日本神経科学会大会
  • 発表場所: 京都国際会館、京都市、京都府
  • 招待講演
• [学会発表] 大脳皮質非錐体細胞の樹状突起の形態解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 第54回日本組織細胞化学会総会・学術集会
  • 発表場所: 航空会館、東京、東京都
  • 招待講演
• [学会発表] Locally limited conductance of IPSC elicited by fast spiking interneurons synapsing onto cortical pyramidal cell (2013)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 第６回国際神経回路会議 - Functional Mechanism of Cortical Microcircuit
  • 発表場所: 岡崎コンファレンスセンター、岡崎市、愛知県
  • 招待講演
• [学会発表] Locally limited conductance of IPSCs elicited by cortical fast spiking basket cell (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Kubota, Satoru Kondo, Masaki Nomura and Yasuo Kawaguchi
  • 学会等名: Cell Symposia "The Networked Brain"
  • 発表場所: San Diego Hilton, San Diego, U.S.A.
• [学会発表] Differences in size of cortical synapses underly distinct modes of inhibitory control (2013)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y, Kondo S, Nomura M, Karube F, Luebke J and Kawaguchi Y
  • 学会等名: 43rd annual meeting of the Society for Neuroscience
  • 発表場所: San Diego convention center, San Diego, U.S.A.
• [学会発表] 電子顕微鏡連続切片の再構成による大脳皮質抑制性神経細胞の特徴抽出
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: IIRSセミナー
  • 発表場所: 東京大学、東京、東京都
  • 招待講演
• [学会発表] 樹状突起分岐部の微小管のFIB/SEMによる観察
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会「様々な極微イメージング技術研究部会」第1回研究会
  • 発表場所: 久留米大学、久留米市、福岡県
  • 招待講演
• [学会発表] 大脳皮質FSバスケット細胞から錐体細胞への 抑制性シナプス結合特性
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 学会等名: Frotier BioScience Colloquium
  • 発表場所: 大阪大学生命機能研究科、吹田市、大阪府
  • 招待講演
• [図書] ライフサイエンス顕微鏡学ハンドブック／各種電子顕微鏡による連続画像撮影 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山科正平、高田邦昭責任編集、窪田芳之 他著
  • 総ページ数: 344
  • 出版者: 朝倉書店
  • ISBN: 9784254310948
• [図書] Neuromethods Vol 110, Receptor and ion channel detection in the brain (2016)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y (Lujan R, Ciruela F, eds)
  • 総ページ数: 475
  • 出版者: Springer
• [図書] Morphological and neurochemical characterization of electrophysiologically identified cells in "Receptor and Ion Channel Detection in the Brain: methods and protocols" (2016)
  • 著者名/発表者名: Kubota Y
  • 総ページ数: 277
  • 出版者: Springer, New York
• [図書] 3次元構築と立体画像（岡部繁男編集) ライフサイエンス顕微鏡学ハンドブック (2014)
  • 著者名/発表者名: 窪田芳之
  • 総ページ数: 299
  • 出版者: 朝倉書店
• [備考] カーボンナノチューブで電子顕微鏡神経回路観察法に革命! －マウス全脳の神経回路構造解明へ一歩前進－
  • URL: http://www.nips.ac.jp/release/2018/02/post_358.html
• [備考] 大脳皮質の神経細胞棘突起の同じところに出現消失を繰り返す抑制性シナプス
  • URL: http://www.nips.ac.jp/nips_research/2016/04/_in_vivo_imaging1in_vivo2_162349cranial_window10in_vivo_imaging23.html
• [備考] 大脳皮質の錐体細胞に分布する抑制性シナプスの形態と機能
  • URL: http://www.nips.ac.jp/release/2015/07/post_299.html
• [備考] 大脳皮質FSバスケット細胞の5層の錐体細胞への抑制性神経支配様式
  • URL: http://www.fmu.ac.jp/acs/research/page/2
• [備考] 大脳皮質の神経細胞棘突起の同じところに出現消失を繰り返す抑制性シナプス
  • URL: https://www.nips.ac.jp/nips_research/2016/04/_in_vivo_imaging1in_vivo2_162349cranial_window10in_vivo_imaging23.html
• [備考] Inhibitory synapses are repeatedly assembled
  • URL: https://www.nips.ac.jp/nips_research/eng/2016/04/_in_vivo_imaging1in_vivo2_162349cranial_window10in_vivo_imaging23.html
• [備考] Functional effects of distinct innervation styles
  • URL: https://www.nips.ac.jp/nips_research/eng/2015/07/post_299.html
• [備考] 生理学研究所大脳神経回路論研究部門ホームページ
  • URL: http://www.nips.ac.jp/circuit/