グリア細胞操作を起点とする神経活動変化と伝播様式解析

• 研究領域: 脳内環境：恒常性維持機構とその破綻
• 研究課題/領域番号: 24111551
• 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: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 田中 謙二 慶應義塾大学, 医学部, 特任准教授 (30329700)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2014-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2013年度)
• 配分額: 11,180千円 (直接経費: 8,600千円、間接経費: 2,580千円); 2013年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2012年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
• キーワード: 神経科学 / 解剖学 / グリア / オプトジェネティクス / fMRI

研究概要

グリア細胞は神経外環境の構造的な要素であり、神経細胞-アストロサイト相互作用は神経外環境の機能的な要素である。グリア細胞の活動変化は細胞外環境の変化ほかならず、この変化によって神経活動、ひいては脳全体の活動が変化する。この一連の変化をとらえるために、グリア細胞だけに摂動を加える実験系を構築した。さらに、グリア選択的摂動が、どのような結果をもたらすか検討した。
グリア細胞選択的な摂動は、光遺伝学的手法を用いた。光感受性の高いチャネルロドプシンC128S変異体を用いたことによって、頭蓋骨越しに摂動を加えることが可能になった。このことによって、脳実質に外傷を加えることなくグリア細胞に摂動を加えることが可能になった。
連携研究者　松井らの研究によって、チャネルロドプシンの開口時間に比例してグルタミン酸の放出とKイオンの放出がおこることが分かったので、光照射時間を調節してアストロサイトに摂動を加えた。5秒間の青色光照射によって、マウスが身をよじることが再現良く観察された。0.5秒間の照射では外見上変化は見られなかった。前者の場合、一過性の過興奮と引き続くspreading depressionが再現良く観察され、後者の場合、特段の神経活動変化は観察されなかった。前者の場合、脳血管周囲の侵害刺激の入力先である三叉神経脊髄路核においてc-fosの誘導が認められた。以上の結果から、5秒間のアストロサイト刺激は、新しい片頭痛モデルと考えられた。一方の0.5秒間のアストロサイト刺激はspreading depressionを起こすことはないが、fMRIで観察すると既存の神経連絡では説明のつかない部位へBOLD信号が広がることが分かった。
以上の結果から、グリア細胞を起点とする脳活動変化が神経活動や血流応答に変換、伝播される様式を明らかにすることができた。

現在までの達成度 (区分)

理由

25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

25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] Optogenetic countering of glial acidosis suppress glial glutamate release and ischemic brain damage. (2014)
  • 著者名/発表者名: Beppu K, Sasaki T, Tanaka KF, Yamanaka A, Fukazawa Y, Shigemoto R, Matsui K:
  • 雑誌名: Neuron 巻: 81 ページ: 314-320
  • 査読あり
• [雑誌論文] 光遺伝学に有用な遺伝子改変マウス オプトジェネティクスを用いた神経機能操作の現在地～光で行動をコントロールする～ (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中 謙二
  • 雑誌名: 細胞工学 巻: 33 ページ: 260-263
• [雑誌論文] Influence of inhibitory serotonergic inputs to orexin/hypocretin neurons on the diurnal rhythm of sleep and wakefulness. (2013)
  • 著者名/発表者名: Tabuchi S, Tsunematsu T, Kilduff TS, Sugio S, Tanaka KF, Takahashi S, Tominaga M, Yamanaka A
  • 雑誌名: Sleep 巻: 36(9) 号: 9 ページ: 1391-1404
  • DOI: 10.5665/sleep.2972
  • 査読あり
• [雑誌論文] Long-lasting silencing of orexin/hypocretin neurons using archaerhodopsin induces slow-wave sleep in mice. (2013)
  • 著者名/発表者名: Tsunematsu T, Tabuchi S, Tanaka KF, Boyden ES, Tominaga M, Yamanaka A
  • 雑誌名: Behavioural Brain Research 巻: 255 ページ: 64-74
  • DOI: 10.1016/j.bbr.2013.05.021
  • 査読あり
• [雑誌論文] In vivoでグリアを見る・操作するための機能遺伝子発現方法 (2013)
  • 著者名/発表者名: 田中 謙二、高田 則雄、三村 將
  • 雑誌名: 実験医学 巻: 31 ページ: 1736-1741
• [雑誌論文] オプトジェネティクスと精神医学. (2013)
  • 著者名/発表者名: 田中 謙二、高田 則雄、三村 將
  • 雑誌名: 精神神経学雑誌 巻: 115 ページ: 1211-1215
• [雑誌論文] The manipulation of neural and cellular activities by ectopic expression of melanopsin. (2013)
  • 著者名/発表者名: Koizumi A, Tanaka KF, Yamanaka A
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 75(1) 号: 1 ページ: 3-5
  • DOI: 10.1016/j.neures.2012.07.010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ectopic expression of melanopsin in orexin/hypocretin neurons enables control of wakefulness of mice in vivo by blue light (2013)
  • 著者名/発表者名: Tsunematsu T, Tanaka KF, Yamanaka A, Koizumi A
  • 雑誌名: Neurosci Res 巻: 75(1) 号: 1 ページ: 23-28
  • DOI: 10.1016/j.neures.2012.07.005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Olig2-lineage cells preferentially differentiate into oligodendrocytes but their processes degenerate at the chronic demyelinating stage of proteolipid protein-overexpressing mouse. (2013)
  • 著者名/発表者名: Shimizu T
  • 雑誌名: J Neurosci Res 巻: 91 号: 2 ページ: 178-186
  • DOI: 10.1002/jnr.23153
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of optogenetically activated striatal medium spiny neurons by Npas4 expression (2012)
  • 著者名/発表者名: Bepari AK, Sano H, Tamamaki N, Nambu A, Tanaka KF, Takebayashi H
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 7(12) 号: 12 ページ: 140-140
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0052783
  • 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] Preinspiratory calcium rise in putative pre-Botzinger complex astrocytes (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Okada, T. Sasaki. Y. Oku, N. Takahashi, M. Seki, S. Ujita, K. Tanaka, N. Matsuki, Y. Ikegaya
  • 雑誌名: Journal of Physiology 巻: 590 号: 19 ページ: 4933-4944
  • DOI: 10.1113/jphysiol.2012.231464
  • 査読あり
• [雑誌論文] Shared Synaptic Pathophysiology in Syndromic and Nonsyndromic Rodent Models of Autism (2012)
  • 著者名/発表者名: Baudouin SJ
  • 雑誌名: Science 巻: 338 号: 6103 ページ: 128-132
  • DOI: 10.1126/science.1224159
  • 査読あり
• [雑誌論文] Serotonin receptor expression along the dorsal-ventral axis of mouse hippocampus. (2012)
  • 著者名/発表者名: Tanaka KF
  • 雑誌名: Philos Trans R Soc Lond B Biol 巻: 367 号: 1601 ページ: 2395-2401
  • DOI: 10.1098/rstb.2012.0038
  • 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] Mitral cells in the olfactory bulb are mainly excited through a multistep signaling path. (2012)
  • 著者名/発表者名: Gire DH
  • 雑誌名: J Neurosci. 巻: 32 号: 9 ページ: 2964-2975
  • DOI: 10.1523/jneurosci.5580-11.2012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Increased astrocytic ATP release results in enhanced excitability of the hippocampus. (2012)
  • 著者名/発表者名: Lee HU, Yamazaki Y, Tanaka KF, Furuya K, Sokabe M, Hida H, Takao K, Miyakawa T, Fujii S, Ikenaka K.
  • 雑誌名: These^† authors contributed equally to this work 巻: 61 号: 2 ページ: 210-224
  • DOI: 10.1002/glia.22427
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gene induction in mature oligodendrocytes with a PLP-tTA mouse line (2011)
  • 著者名/発表者名: Inamura N, et al
  • 雑誌名: Genesis 巻: (online published) 号: 5 ページ: 424-428
  • DOI: 10.1002/dvg.20808
  • 査読あり
• [学会発表] cortical spreading depressionがどこで止まるか (2014)
  • 著者名/発表者名: 吉田 慶多朗、田中 謙二
  • 学会等名: 第19回グリアクラブ
  • 発表場所: 新潟
• [学会発表] オプトジェネティクス (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中 謙二
  • 学会等名: 第91回日本生理学会大会
  • 発表場所: 鹿児島
  • 招待講演
• [学会発表] てんかん原性域の局所温度上昇とTPRV4wo介した病態悪化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 柴崎 貢志、田中 謙二、石崎 泰樹
  • 学会等名: 第91回日本生理学会大会
  • 発表場所: 鹿児島
• [学会発表] オプトジェネティクスとfMRIを融合させたグリアニューロン相互作用の解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中謙二、吉田慶多朗、徐明、疋島啓吾、岡野栄之、三村將、高田則雄
  • 学会等名: 第87回日本薬理学会年会
  • 発表場所: 仙台
  • 招待講演
• [学会発表] In vivo Ca2+ imaging of vascular smooth muscle cells in cerebral cortex (2014)
  • 著者名/発表者名: Nami Kitajima, Hiroshi Sekiya, Kazunori Kanemaru, Kenji F. Tanaka, Masamitsu Iino
  • 学会等名: 第87回日本薬理学会年会
  • 発表場所: 仙台
• [学会発表] Npas4 mRNA expression can trace photoactivation of striatal medium spiny neurons at the cellular level. (2013)
  • 著者名/発表者名: 竹林 浩秀
  • 学会等名: 第118回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • 発表場所: 香川
  • 年月日: 2013-03-28
• [学会発表] 光遺伝学を用いたチャネルロドプシン発現アストロサイトの活性化は神経活動を亢進させる (2013)
  • 著者名/発表者名: 吉田 慶多朗
  • 学会等名: 第90回日本生理学会大会
  • 発表場所: 東京 江戸川区
  • 年月日: 2013-03-27
• [学会発表] 精神科領域に重要な投射神経の発火をコントロールするマウスの開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 田中 謙二
  • 学会等名: 第90回日本生理学会大会
  • 発表場所: 東京 江戸川区
  • 年月日: 2013-03-27
  • 招待講演
• [学会発表] オプトジェネティクスと精神医学 (2013)
  • 著者名/発表者名: 田中 謙二
  • 学会等名: 第109回日本精神神経学会学術総会
  • 発表場所: 福岡
  • 招待講演
• [学会発表] 一度創って5度おいしいマウス (2013)
  • 著者名/発表者名: 田中 謙二
  • 学会等名: 包括脳ネットワーク夏のワークショップ
  • 発表場所: 名古屋
  • 招待講演
• [学会発表] Expanding the repertoire of optogenetically targeted cells with an enhanced gene expression system. (2013)
  • 著者名/発表者名: Kenji Tanaka
  • 学会等名: Optogenetics-2013 Thema Conference
  • 発表場所: Boston
  • 招待講演
• [学会発表] 光操作による細胞機能制御 (2012)
  • 著者名/発表者名: 田中 謙二
  • 学会等名: 光操作研究会
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 2012-09-27
• [学会発表] 発達期プルキンエ細胞体における登上線維シナプス排除機構 (2012)
  • 著者名/発表者名: 宮崎 太輔
  • 学会等名: 第35回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 2012-09-18
• [学会発表] ChR2-induced astrocytic depolarization augments neuronal activities in vivo. (2012)
  • 著者名/発表者名: 高田 則雄
  • 学会等名: APRU-BMAP 2012/FIRST 2012シンポジウム「脳/心の進化と疾患（Diseases and Evolution of Brain and Mind）」
  • 発表場所: 東京 港区
  • 年月日: 2012-08-29
• [学会発表] グリアが起点となる脳内環境変化
  • 著者名/発表者名: 田中 謙二
  • 学会等名: Neuro2013
  • 発表場所: 京都
  • 招待講演
• [学会発表] ごきげんの解明に必要な技術:オプトジェネティクス
  • 著者名/発表者名: 田中 謙二、高田 則雄
  • 学会等名: The 8th HOKKAIDO ANTI AGING CLUB2014
  • 発表場所: 北海道
  • 招待講演
• [学会発表] 疾患モデルマウス作成に有効なSTOPtetO ノックイン（FAST システム）とその応用例
  • 著者名/発表者名: 田中謙二
  • 学会等名: 難治疾患共同研究拠点シンポジウム
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] グリア細胞の光操作
  • 著者名/発表者名: 田中 謙二、吉田 慶多朗、Ming Xu
  • 学会等名: 第24回マイクロダイアリシス研究会
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] 大脳皮質における血管平滑筋Ca2+イメージング
  • 著者名/発表者名: 北島 奈美、関谷 敬、金丸 和典、田中 謙二、飯野 正光
  • 学会等名: 筋生理の集い
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] 蛍光Caプローブを発現するトランスジェニックマウスを用いた脳血流制御機構の可視化解析
  • 著者名/発表者名: 関谷敬、北島奈美、佐藤要、田中謙二、飯野正光
  • 学会等名: 第23回日本循環薬理学会
  • 発表場所: 福岡
• [学会発表] グリアの光操作
  • 著者名/発表者名: 田中 謙二
  • 学会等名: 第2回 Neurovascular Unit研究会
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] オプトジェネティクスの精神科学への応用
  • 著者名/発表者名: 田中 謙二
  • 学会等名: 第16回 神経科学領域における分子モニタリングシンポジウム
  • 発表場所: 名古屋
  • 招待講演
• [備考] 生理学研究所 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
  • URL: http://www.nips.ac.jp/contents/release/entry/2012/07/post-219.html