光操作法による初期視覚回路特性の抽出と書き換えに伴う構造変化の解析

• 研究領域: メゾスコピック神経回路から探る脳の情報処理基盤
• 研究課題/領域番号: 23115521
• 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: 生物系
• 研究機関: 生理学研究所
• 研究代表者: 松井 広 生理学研究所, 大脳皮質機能研究系, 准教授 (20435530)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2013-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2012年度)
• 配分額: 10,400千円 (直接経費: 8,000千円、間接経費: 2,400千円); 2012年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2011年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
• キーワード: 脳・神経 / 神経科学 / 生理学

研究実績の概要

神経細胞間をつなぐシナプスにおける信号伝達効率を調整することで、情報の流れ方を変え、既存の配線を使いつつも、環境への適応・学習・記憶といった脳機能が達成されていると考えられる。ところが、脳内にどんな回路が実装されていて、個々のシナプスの可塑性がどのように進行するのかに関して、ほとんど検証が進んでいない。本研究では、まず、電気生理学・形態学・シミュレーションの全ての面で精緻な解析のしやすいcalyx of Heldシナプスを対象とした。シナプスにおける信号伝達特性を左右する重要な因子として、シナプス間隙へと放出されるグルタミン酸分子の数、および、細胞間隙におけるグルタミン酸の拡散係数が挙げられるが、この二つのパラメーターを求めることで、シナプス間隙におけるグルタミン酸の振る舞いを完全に表現することに成功した。続いて、網膜－外側膝状体－皮質へと伝わる初期視覚過程に関わる、メゾスコピック回路を対象とし、その特性を抽出することに挑戦。視神経線維一本を立て続けに刺激すると、応答が急速に抑制されることを見出した。細胞間隙における伝達物質拡散のシミュレーションを通して、シナプスから溢れ出た伝達物質が近隣のシナプスの受容体を脱感作させることで応答が抑制されるということが明らかになった。続いて、特定の脳細胞の活動を光操作することで、メゾ回路の書き換えを促し、回路特性の変化を生理学的に解析するという課題に取り組んだ。このために、神経やグリア細胞の活動を特異的に光で制御する方法を開発した。当初、目標としていた初期視覚回路の書き換えには成功しなかったが、光操作技術を用い、各種脳細胞間の信号伝達を操作することを通して、小脳メゾ回路におけるシナプス可塑性を誘導することに成功。個々の細胞間相互作用における変化が、メゾ回路の動作変更を誘導し、眼球運動学習といった個体全体の機能へ影響する様が評価できた。

現在までの達成度 (段落)

24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

24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] Evaluation of glutamate concentration transient in the synaptic cleft of the rat calyx of Held (2013)
  • 著者名/発表者名: Budisantoso T, Harada H, Kamasawa N, Fukazawa Y, Shigemoto R Matsui K
  • 雑誌名: Journal of Physiology 巻: 591 号: 1 ページ: 219-239
  • DOI: 10.1113/jphysiol.2012.241398
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative localization of Ca(v)2.1 (P/Q-type) voltage-dependent calcium channels in Purkinje cells: somatodendritic gradient and distinct somatic coclustering with calcium-activated potassium channels (2013)
  • 著者名/発表者名: Indriati DW, Kamasawa N, Matsui K, Meredith AL, Watanabe M, Shigemoto R
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience 巻: 33 号: 8 ページ: 3668-3678
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2921-12.2013
  • 査読あり
• [雑誌論文] マウスの心の光操作－脳細胞活動と心の機能の因果関係を探る (2013)
  • 著者名/発表者名: 松井 広
  • 雑誌名: BRAIN and NERVE 巻: 65
• [雑誌論文] 心に占めるグリア細胞の役割－光操作技術のもたらすパラダイム・シフト (2013)
  • 著者名/発表者名: 松井 広
  • 雑誌名: 実験医学 巻: -
• [雑誌論文] Thin dendrites of cerebellar interneurons confer sublinear synaptic integration and a gradient of short-term plasticity (2012)
  • 著者名/発表者名: Abrahamsson T, Cathala L, Matsui K, Shigemoto R, Digregorio DA
  • 雑誌名: Neuron 巻: 73 号: 6 ページ: 1159-1172
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2012.01.027
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative regional and ultrastructural localization of the Cav2.3 subunit of R-type calcium channels in mouse brain (2012)
  • 著者名/発表者名: Parajuli L, Nakajima C, Kulik A, Matsui K, Schneider T, Shigemoto R, Fukazawa Y
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience 巻: 32 号: 39 ページ: 13555-13567
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1142-12.2012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Virus-mediated swapping of zolpidem-insensitive with zolpidem-sensitive GABAA receptors in cortical pyramidal cells (2012)
  • 著者名/発表者名: Sumegi M, Fukazawa Y, Matsui K, Lorincz A, Eyre MD, Nusser Z, Shigemoto R
  • 雑誌名: Journal of Physiology 巻: 590 号: 7 ページ: 1517-1534
  • DOI: 10.1113/jphysiol.2012.227538
  • 査読あり
• [雑誌論文] Expanding the repertoire of optogenetically targeted cells with an enhanced gene expression system (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka, K. Matsui, T. Sasaki. H. Sano, S. Sugio, K. Fan, K. Ikenaka, R. Hen, J. Nakai, Y. Yanagawa, H. Hasuwa, K. Deisseroth, A. Yamanaka
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 2 号: 2 ページ: 397-406
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2012.06.011
  • 査読あり
• [雑誌論文] Application of an optogenetic byway for perturbing neuronal activity via glialphotostimulation. (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Sasaki. K. Beppu, K. Tanaka, Y. Fukazawa, R. Shigemoto, K. Matsui
  • 雑誌名: Proceedings National Academy of Sciences of the USA 巻: 109 号: 50 ページ: 20720-20725
  • DOI: 10.1073/pnas.1213458109
  • 査読あり
• [雑誌論文] Kv4.2 potassium channels segregate to extrasynaptic domains in amygdala intercalated neurons and influence intrasynaptic NMDA receptor NR2B subunit expression (2012)
  • 著者名/発表者名: Kaufmann WA, Matsui K, Jeromin A, Nerbonne J, Ferraguti F
  • 雑誌名: Brain Structure and Function 巻: - 号: 5 ページ: 1-18
  • DOI: 10.1007/s00429-012-0450-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] 生きたままのマウスの脳細胞を光で操作する技術の開発 (2012)
  • 著者名/発表者名: 松井 広
  • 雑誌名: OplusE 巻: 396 ページ: 1085-1090
• [雑誌論文] 視床：単なる中継核ではない‐生理学的基礎 (2012)
  • 著者名/発表者名: 松井 広
  • 雑誌名: Clinical Neuroscience 巻: 31 ページ: 24-26
• [雑誌論文] Mechanisms underlying signal filtering at a multi-synapse contact (2012)
  • 著者名/発表者名: Budisantoso T, Matsui K, Kamasawa N, Fukazawa Y, Shigemoto R
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience 巻: 32 号: 7 ページ: 2357-2376
  • DOI: 10.1523/jneurosci.5243-11.2012
  • 査読あり
• [学会発表] Exploring the causal relationship between glial activity and mind (2013)
  • 著者名/発表者名: 松井 広
  • 学会等名: 日本生理学会
  • 発表場所: タワーホール船堀（東京）
• [学会発表] Neuronal activity and behavior driven by astrocytes (2012)
  • 著者名/発表者名: 松井 広
  • 学会等名: 日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県）
• [学会発表] Estimation of the concentration and the time course of glutamate in the synaptic cleft (2012)
  • 著者名/発表者名: Timotheus Budisantoso
  • 学会等名: 日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県）
• [学会発表] Neuronal activity and behavior driven by astrocytes (2012)
  • 著者名/発表者名: Ko Matsui
  • 学会等名: Society for Neuroscience
  • 発表場所: New Orleans, USA
• [学会発表] High resolution analysis of presynaptic protein distribution patterns with freeze‐fracture replica immunolabeling. (2012)
  • 著者名/発表者名: Harada Harumi
  • 学会等名: Society for Neuroscience
  • 発表場所: New Orleans, USA
• [学会発表] Physiological impact of limited transmitter diffusion at a multi-synapsecontact (2011)
  • 著者名/発表者名: Ko Matsui
  • 学会等名: Society for Neuroscience
  • 発表場所: Washington DC (USA)
  • 年月日: 2011-11-13
• [学会発表] 光による記憶操作の可能性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 松井広
  • 学会等名: 生理研研究会「神経活動の光操作(行動制御への応用)」
  • 発表場所: 生理学研究所(愛知県)
  • 年月日: 2011-09-29
• [学会発表] 脳回路光摂動法による記憶メカニズムの解明 (2011)
  • 著者名/発表者名: 松井広
  • 学会等名: 生理学研究所研究会「グリア細胞機能から迫る脳機能解明」
  • 発表場所: 生理学研究所(愛知県)
  • 年月日: 2011-06-18
• [図書] オプトジェネティクス―光工学と遺伝学による行動抑制技術の最前線 (2013)
  • 著者名/発表者名: 神取 秀樹
  • 総ページ数: 288
  • 出版者: エヌ・ティー・エス
• [備考] 目から入ってくる溢れるような視覚情報を "くっきり"させて脳に伝える仕組みの一端を解明
  • URL: http://www.nips.ac.jp/contents/release/entry/2012/02/post-202.html
• [備考] 生きたままマウスの体の中の特定の細胞を狙い、光操作できる遺伝子改変マウスを開発
  • URL: http://www.nips.ac.jp/contents/release/entry/2012/07/post-219.html
• [備考] 脳の中のグリア細胞の働きで、運動学習が加速することを発見
  • URL: http://www.nips.ac.jp/contents/release/entry/2012/11/post-225.html