発達脳のシナプス刈り込みにおけるシンギュラリティ現象のイメージング解析

• 研究領域: シンギュラリティ生物学
• 研究課題/領域番号: 19H05415
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 狩野 方伸 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (40185963)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2020年度)
• 配分額: 8,580千円 (直接経費: 6,600千円、間接経費: 1,980千円); 2020年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2019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: シナプス刈り込み / 生後発達 / 小脳 / プルキンエ細胞 / 登上繊維 / 神経活動 / マウス / 発達 / 登上線維

研究開始時の研究の概要

出生直後のマウス小脳のプルキンエ細胞は5本以上の登上線維からシナプス入力を受けるが、生後7日目までにこのうちの1本だけが選択的に強くなってシナプス領域を拡大し、その他の登上線維は除去されて、生後20日までにほとんどのプルキンエ細胞が1本の強力な登上線維からシナプス入力を受けるようになる。この過程で、1本の「勝者」の登上線維とそれ以外の「敗者」を決定する過程が決定的に重要で、この過程は典型的なシンギュラリティ現象と言える。本研究では、2光子顕微鏡を用いたin vivo imagingによってこの現象を追跡し、この現象に登上線維とプルキンエ細胞の神経活動がどのように関わるかを明らかにする。

研究実績の概要

生後発達期小脳の登上線維－プルキンエ細胞シナプスの刈り込みにおいて、複数の登上線維のうちから生き残る1本の登上線維が選択されるシンギュラリティ現象に神経活動がどのように関わるかを明らかにするために、以下の研究を行った。
令和元年度の研究から新生マウスの下オリーブ核へのウイルス注入の成功率が低いことが判明したため、令和2年度には、Crh-CreマウスとtdToamto-floxマウスを交配して、一部の登上線維がtdTomatoを発現するマウス（Crh-Cre：tdToamto-flox）を得て、Nefl-EGFPマウスと交配した。生後10日から12日において、このマウスの小脳を、イソフルレン麻酔で、2光子顕微鏡を用いて観察した。その結果、EGFP（緑色）、tdTomato（赤色）、EGFP＋tdTomato（黄色）のそれぞれを発現する登上線維が混在する様子を観察した。一方、in vivoのタイムラプス観察を行う前に、固定した小脳を対象に形態学的解析を行って、生後発達の過程で、登上線維が同一のプルキンエ細胞上でどのように競合するかを調べることとした。そのため、生後1－2日において、Nefl-EGFPマウスの一部の下オリーブ核ニューロンにRFP（tdTomato）と抑制性のDREADDを発現させた。このマウスを生後10日に還流固定して小脳切片を作り、共焦点顕微鏡による観察により、一部のプルキンエ細胞がGFPを発現する登上線維とtdTomatoを発現する登上線維によって多重支配されていることを確認した。このマウスに生後4日から11日まで、1日1回のCNOの腹腔内投与によって、RFPを発現する登上線維の活動を抑制する予定であったが、新型コロナウイルスの影響による活動制限のため実施が遅れている間に、本研究は廃止となった。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Phospholipase C β3 is required for climbing fiber synapse elimination in Aldolase C-positive compartments of the developing mouse cerebellum. (2021)
  • 著者名/発表者名: Rai Y, Watanabe T, Matsuyama K, Sakimura K, Uesaka N, Kano M
  • 雑誌名: Neuroscience 巻: in press
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tonic GABAergic Inhibition Is Essential for Nerve Injury-Induced Afferent Remodeling in the Somatosensory Thalamus and 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
  • NAID: 120007053424
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sparse Activity of Hippocampal Adult-Born Neurons during REM Sleep Is Necessary for Memory Consolidation (2020)
  • 著者名/発表者名: Kumar D, Koyanagi I, Carrier-Ruiz A, Vergara P, Srinivasan S, Sugaya Y, Kasuya M, Yu TS, Vogt K, Muratani M, Ohnishi T, Singh S, Teixeira CM, Cherasse Y, Naoi T, Wang Y, Nondhalee P, Osman BAH, Kaneko N, Sawamoto K, Kernie SG, Sakurai T, McHugh TJ, Kano M, Yanagisawa M, Sakaguchi M
  • 雑誌名: Neuron 巻: 107 号: 3 ページ: 552
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2020.05.008
  • URL: https://localhost/en/publications/1d845831-3ee8-4cde-ae73-3f4d6bcffcb0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Traceable stimulus-dependent rapid molecular changes in dendritic spines in the brain. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuboyama K, Inoue T, Hashimotodani Y, Itoh T, Suzuki T, Tetsuzawa A, Ohtsuka Y, Kinoshita R, Takara R, Miyazawa T, Gusain P, Kano M, Yamada MK
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 15266-15266
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improved hyperacuity estimation of spike timing from calcium imaging (2020)
  • 著者名/発表者名: Hoang Huu、Sato Masa-aki、Shinomoto Shigeru、Tsutsumi Shinichiro、Hashizume Miki、Ishikawa Tomoe、Kano Masanobu、Ikegaya Yuji、Kitamura Kazuo、Kawato Mitsuo、Toyama Keisuke
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 17844-17844
  • DOI: 10.1038/s41598-020-74672-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] AUTS2 Governs Cerebellar Development, Purkinje Cell Maturation, Motor Function and Social Communication (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamashiro Kunihiko、Hori Kei、Lai Esther S.K.、Aoki Ryo、Shimaoka Kazumi、Arimura Nariko、Egusa Saki F.、Sakamoto Asami、Abe Manabu、Sakimura Kenji、Watanabe Takaki、Uesaka Naofumi、Kano Masanobu、Hoshino Mikio
  • 雑誌名: iScience 巻: 23 号: 12 ページ: 101820-101820
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101820
  • NAID: 120006979860
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] G Protein-Coupled Glutamate and GABA Receptors Form Complexes and Mutually Modulate Their Signals (2020)
  • 著者名/発表者名: Sakairi Hakushun、Kamikubo Yuji、Abe Masayoshi、Ikeda Keisuke、Ichiki Arata、Tabata Toshihide、Kano Masanobu、Sakurai Takashi
  • 雑誌名: ACS Chemical Neuroscience 巻: 11 号: 4 ページ: 567
  • DOI: 10.1021/acschemneuro.9b00599
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comprehensive analysis of a novel mouse model of the 22q11.2 deletion syndrome: a model with the most common 3.0-Mb deletion at the human 22q11.2 locus (2020)
  • 著者名/発表者名: Saito Ryo、Koebis Michinori、Nagai Taku、Shimizu Kimiko、Liao Jingzhu、Wulaer Bolati、Sugaya Yuki、Nagahama Kenichiro、Uesaka Naofumi、Kushima Itaru、Mori Daisuke、Maruyama Kazuaki、Nakao Kazuki、Kurihara Hiroki、Yamada Kiyofumi、Kano Masanobu、Fukada Yoshitaka、Ozaki Norio、Aiba Atsu
  • 雑誌名: Translational Psychiatry 巻: 10 号: 1 ページ: 35-35
  • DOI: 10.1038/s41398-020-0723-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Glial-Neuronal Circuit in the Median Eminence Regulates Thyrotropin-Releasing Hormone-Release via the Endocannabinoid System (2020)
  • 著者名/発表者名: Farkas Erzsevet、Varga Edina、Kovacs Balazs、....、Watanabe Masahiko、Kano Masanobu、...、Charli Jean-Louis、Joseph-Bravo Patricia、Fekete Csaba
  • 雑誌名: iScience 巻: 23 号: 3 ページ: 100921-100921
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.100921
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Rational Engineering of XCaMPs, a Multicolor GECI Suite for In Vivo Imaging of Complex Brain Circuit Dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: Inoue M, Takeuchi A, Manita S, Horigane S-i, Sakamoto M, Kawakami R, Yamaguchi K, Otomo K, Yokoyama H, Kim R, Yokoyama T, Takemoto-Kimura S, Abe M, Okamura M, Kondo Y, Quirin S, Ramakrishnan C, Imamura T, Sakimura K, Nemoto T, Kano M, Fujii H, Deisseroth K, Kitamura K, Bito H.
  • 雑誌名: Cell 巻: 177 号: 5 ページ: 1346
  • DOI: 10.1016/j.cell.2019.04.007
  • URL: https://localhost/en/publications/a48843c1-543d-4414-a93c-3cab0e1df627
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] mGluR1 in cerebellar Purkinje cells is essential for the formation but not expression of associative eyeblink memory (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakao Harumi、Kishimoto Yasushi、Hashimoto Kouichi、Kitamura Kazuo、Yamasaki Miwako、Nakao Kazuki、Watanabe Masahiko、Kano Masanobu、Kirino Yutaka、Aiba Atsu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 7353-7353
  • DOI: 10.1038/s41598-019-43744-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Developmental synapse remodeling in the cerebellum and visual thalamus. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kano M, Watanabe T.
  • 雑誌名: F1000Research 巻: 8 ページ: 1191-1191
  • DOI: 10.12688/f1000research.18903.1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Monoacylglycerol lipase blockade impairs fine motor coordination and triggers cerebellar neuroinflammation through cyclooxygenase-2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Martinez-Torres Sara、Cutando Laura、Pastor Antoni、Kato Ako、Sakimura Kenji、de la Torre Rafael、Valjent Emmanuel、Maldonado Rafael、Kano Masanobu、Ozaita Andres
  • 雑誌名: Brain, Behavior, and Immunity 巻: 81 ページ: 399
  • DOI: 10.1016/j.bbi.2019.06.036
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Modular organization of cerebellar climbing fiber inputs during goal-directed behavior (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsutsumi S, Hidaka N, Isomura Y, Matsuzaki M, Sakimura K, Kano M, Kitamura K.
  • 雑誌名: Elife. 巻: 8
  • DOI: 10.7554/elife.47021
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Endocannabinoid Signaling from 2-Arachidonoylglycerol to CB₁ Cannabinoid Receptor Facilitates Reward-based Learning of Motor Sequence (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanigami H, Yoneda M, Tabata Y, Echigo R, Kikuchi Y, Yamazaki M, Kishimoto Y, Sakimura K, Kano M, Ohno-Shosaku T
  • 雑誌名: Neuroscience 巻: 421 ページ: 1
  • DOI: 10.1016/j.neuroscience.2019.09.040
  • 査読あり
• [学会発表] Shaping mature neural circuits through synapse pruning (2020)
  • 著者名/発表者名: Masanobu Kano
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The transcription factor ZFP64 facilitates climbing-fiber synapse elimination along signaling pathway mediated by P/Q-type voltage-dependent Ca2+ channel in the developing cerebellum (2020)
  • 著者名/発表者名: Jianling Zhang, Takaki Watanabe, Naofumi Uesaka, Masanobu Kano
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] Protocadherin 10 delays developmental climbing fiber synapse elimination in a subset of aldolase C-positive Purkinje cells in the cerebellum (2020)
  • 著者名/発表者名: Takaki Watanabe, Kazuto Sakoori, Honoka Suzuki, Tsubasa Akamatsu, Kyoko Matsuyama, Shutaro Inoue, Manabu Abe, Kenji Sakimura, Naofumi Uesaka, Masanobu Kano
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] Visualizing Network Level Endocannabinoid Signaling in the Hippocampus (2020)
  • 著者名/発表者名: Henry Paul Denny, Ao Dong, Kaikai He, Yulong Li, Yuki Sugaya, Masanobu Kano
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] Protocadherin 10 delays developmental climbing fiber synapse elimination in a subset of aldolase C-positive Purkinje cells in the cerebellum (2020)
  • 著者名/発表者名: Takaki Watanabe, Honoka Suzuki, Kazuto Sakoori, Shutaro Inoue, Tsubasa Akamatsu, Manabu Abe, Kenji Sakimura, Naofumi Uesaka, Masanobu Kano
  • 学会等名: 第97回日本生理学会
  • 国際学会
• [学会発表] The endocannabinoid 2-arachidonoyl glycerol in dentate granule cells suppresses kainate-induced seizures (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sugaya, Kenji Sakimura, Masanobu Kano
  • 学会等名: 第97回日本生理学会
  • 国際学会
• [学会発表] Cerebellar climbing fiber signals represent voluntary forelimb lever-pull trajectories (2019)
  • 著者名/発表者名: Naoki Hidaka, Koji Ikezoe, Shinichiro Tsutsumi, Yoshikazu Isomura, Masanobu Kano, Kazuo Kitamura
  • 学会等名: 第42回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] Loss of the psychiatric disorder-related epigenetic factor reduces excitatory synaptic inputs to pyramidal neurons of the medial prefrontal cortex and causes abnormal behavior in mice (2019)
  • 著者名/発表者名: Kenichiro Nagahama, Kazuto Sakoori Takaki Watanabe, Michinori Koebis, Naofumi Uesaka, Atsu Aiba, Masanobu Kano
  • 学会等名: 第42回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] Rational engineering of XCaMPs, a multiclolor GECI suite for in vivo imaging of complex brain circuit dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Inoue, Atsuya Takeuchi, Satoshi Manita, ..., Masanobu Kano, Hajime Fujii Deisseroth Karl, Kazuo Kitamura, Haruhiko Bito
  • 学会等名: 第42回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] AiCE mouse: A novel tool to probe LTP-related change in dendritic spines (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuya Kuboyama, Takafumi Inoue, Yuki Hashimotodani, Takuya Itoh, Tohsuke Suzuki, Yosuke Ohtuska, Ryo Kinoshita, Pooja Gusain, Masanobu Kano, Shigeo Okabe, Maki K Yamada
  • 学会等名: 第42回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] Assessment of visual evoked potential in a mouse line with 22q11.2 deletion, a putative mouse model of schizophrenia (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryo Saito, Michinori Koebis, Yuki Sugaya, Masanobu Kano, Atsu Aiba
  • 学会等名: 第42回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] Climbing fiber synapse elimination in aldolase C-positive Purkinje cells is delayed compared to aldolase C-positive Purkinje cells and requires phospholipase C β3 in the developmental cerebellum (2019)
  • 著者名/発表者名: Takaki Watanabe, Yurie Rai, Honoka Suzuki, Tsubasa Akamatsu, Naofumi Uesaka, Masanobu Kano
  • 学会等名: 第42回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] Modulation of dentate granule cell activity during fear memory extinction in freely moving mice (2019)
  • 著者名/発表者名: Alvaro Carrier Ruiz, Yuki Sugaya, Masanobu Kano
  • 学会等名: 第42回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] Neural mechanisms of synapse remodeling in the developing brain (2019)
  • 著者名/発表者名: Masanobu Kano
  • 学会等名: The 10th IBRO World Congress of Neuroscience
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Function of adult-born neurons in maturation of fear memory engram during sleep (2019)
  • 著者名/発表者名: Masanori Sakaguchi, Iyo Koyanagi, Alvaro Carrier-Ruiz, Pable Vergara, ... Masanobu Kano, Masashi Yanagisawa, Deependra Kumar
  • 学会等名: The 10th IBRO World Congress of Neuroscience
  • 国際学会
• [学会発表] Expression mapping, quantification, and complex formation of GluD1 and GluD2 glutamate receptors in adult mouse brain (2019)
  • 著者名/発表者名: Kohtarou Konno, Chihiro Nakamoto, Kenji Sakimura, Masanobu Kano, Masahiko Watanabe
  • 学会等名: The 10th IBRO World Congress of Neuroscience
  • 国際学会
• [学会発表] Synapse remodeling in developing Purkinje cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Kano, Masanobu
  • 学会等名: Society for Neuroscience
  • 国際学会
• [学会発表] Cellular and Circuit Mechanisms of Developmental Synapse Pruning in the Cerebellum (2019)
  • 著者名/発表者名: Kano, Masanobu
  • 学会等名: NUS Neuroscience & Technology Symposium
  • 国際学会 / 招待講演