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メゾ複雑体としてのシナプスの発達様式を統括的に理解するための深層学習による挑戦

公募研究

研究領域クロススケール新生物学
研究課題/領域番号 22H05526
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
研究機関群馬大学

研究代表者

小金澤 紀子  群馬大学, 大学院医学系研究科, 助教 (90643114)

研究期間 (年度) 2022-06-16 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円)
2023年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2022年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
キーワードシナプス微細形態 / 超解像STED顕微鏡 / 膨張顕微鏡法 / 自閉症スペクトラム障害
研究開始時の研究の概要

発達中の神経細胞内のシナプスは、その形態をダイナミックに変化させており、メゾ複雑体であると言える。シナプスの形成異常が自閉症スペクトラム障害 (ASD) の発症につながる可能性が考えられている。申請者たちはシナプス形成の制御機構について超解像STED顕微鏡を駆使して研究してきた。本研究では、超解像STED顕微鏡と膨張顕微鏡法を組み合わせる。この顕微鏡法を駆使して多様なシナプス微細形態の画像データを取得し深層学習で解析することで、これまで不明な点が多かったシナプスの発達様式が明らかになる。ASDモデル動物を使った実験の結果から、本研究が将来的にASD病態の解明につながる可能性が期待できる。

研究実績の概要

脳内の神経ネットワーク内で神経細胞間の情報を伝達する際にシナプス前部から神経伝達物質が放出されてシナプス後部に濃縮する神経伝達物質受容体に結合する。シナプスは100~500 nm程度の大きさの構造で、発達過程でシナプス形態がダイナミックに変化することから、発達中のシナプスはメゾ複雑体であると言える。シナプス形態がシナプス伝達に大きく影響することは明らかだが、脳内で発達中にどのように変化するかは不明な点が多い。シナプスの発達過程の異常が患者数の多い自閉症スペクトラム障害 (ASD) の発症につながると考えられているが、シナプス形態のどのような異常がASD発症につながるかは明らかになっていない。これまでに、シナプス形成の制御機構について超解像STED顕微鏡を駆使して研究してきた。一連の研究の過程で、発達中のシナプスの微細形態が多様であることを見出した。本研究では、超解像STED顕微鏡と膨張顕微鏡法を組み合わせて三次元で分解能が40 nm程度の超解像蛍光顕微鏡法を開発する。この顕微鏡法を駆使して多様なシナプス微細形態の画像データを得、膨大な数の画像データを深層学習で解析することで、これまで不明な点が多かったシナプスの発達様式を明らかにする。
これまでに、超解像STED顕微鏡と膨張顕微鏡法を組み合わせて三次元で分解能が40 nm程度の超解像蛍光顕微鏡法の開発を進めてきた。シナプス前部と後部のマーカーを用いて条件検討を進め、最適化が完了した。シナプスの画像データを解析する目的でAI画像解析ソフトウエアを導入し、解析法を改良した。さらに、超解像蛍光顕微鏡法で観察したサンプルの電子顕微鏡による構造確認も進んだ。

現在までの達成度 (段落)

令和5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5年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

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

    (6件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 2件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (3件)

  • [雑誌論文] Nedd4-2-dependent regulation of astrocytic Kir4.1 and Connexin43 controls neuronal network activity2024

    • 著者名/発表者名
      Altas B, Rhee HJ, Ju A, Cruces-Sol H, Karaca S, Winchenbach J, Kaplan Arabaci O, Schwark M, Ambrozkiewicz M, Lee C, Spieth L, Wieser G, Majoul I, Hassan M, Goel R, Wojcik S, Koganezawa N, Hanamura K, Rotin D, Pichler A, Mitkovski M, de Hoz L, Poulopoulos A, Urlaub H, Jahn O, Saher G, Brose N, Rhee JS, and Kawabe H
    • 雑誌名

      Journal of Cell Biology

      巻: 223 号: 1

    • DOI

      10.1083/jcb.201902050

    • 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] Impacts of methotrexate on survival, dendrite development, and synapse formation of cortical neurons2023

    • 著者名/発表者名
      Mai Yamamura, Kenji Hanamura, Noriko Koganezawa, Senami Furubayashi, Tomoaki Shirao, Hiroshi Kawabe.
    • 雑誌名

      Genes to Cells

      巻: 28 号: 8 ページ: 563-572

    • DOI

      10.1111/gtc.13035

    • 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
  • [雑誌論文] The murine ortholog of Kaufman oculocerebrofacial syndrome gene Ube3b is crucial for the maintenance of the excitatory synapses in the young adult stage2023

    • 著者名/発表者名
      Saki Katsube, Noriko Koganezawa, Kenji Hanamura, Katherine J. Cuthill, Victor Tarabykin, Mateusz C. Ambrozkiewicz, Hiroshi Kawabe.
    • 雑誌名

      Neuroscience Letters

      巻: 797 ページ: 137059-137059

    • DOI

      10.1016/j.neulet.2023.137059

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Kaufman oculocerebrofacial syndrome gene, Ube3b, is crucial for the maintenance of synapse numbers in the young adult brain2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Kawabe, Saki Katsube, Noriko Koganezawa, Kenji Hanamura
    • 学会等名
      第46回分子生物学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Super-resolved 3D-STED microscopy reveals a layer-specific increase in excitatory synapses in the hippocampus of Neuroligin-3 KO mice2023

    • 著者名/発表者名
      Noriko Koganezawa, Kenji Hanamura, Manuela Schwark, Dilja Krueger-Burg, Hiroshi Kawabe
    • 学会等名
      第128回日本解剖学会総会・全国学術集会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Kaufman oculocerebrofacial syndrome gene, Ube3b, is crucial for the maintenance of synapse numbers in the young adult brain2022

    • 著者名/発表者名
      Saki Katsube, Noriko Koganezawa, Kenji Hanamura, Katherine J. Cuthill, Mateusz C. Ambrozkiewicz, Hiroshi Kawabe
    • 学会等名
      第96回日本薬理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-06-20   更新日: 2024-12-25  

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