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生体内で単一シナプス活動を可視化する技術の開発と最適化

公募研究

研究領域細胞機能と分子活性の多次元蛍光生体イメージング
研究課題/領域番号 25113705
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
研究機関山梨大学 (2014)
東京大学 (2013)

研究代表者

喜多村 和郎  山梨大学, 総合研究部, 教授 (60423159)

研究期間 (年度) 2013-06-28 – 2015-03-31
研究課題ステータス 完了 (2014年度)
配分額 *注記
20,020千円 (直接経費: 15,400千円、間接経費: 4,620千円)
2014年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円)
2013年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円)
キーワード脳神経科学 / 2光子顕微鏡 / 生体イメージング / 機能プローブ / 神経科学 / 生理学 / 2光子イメージング / シナプス
研究実績の概要

動物個体脳内において、単一ニューロンにおける感覚シナプス入力の大規模解析を可能にすることを目的として、単一シナプス活動を観察するための3次元高速2光子顕微鏡を開発する。前年度までに開発した顕微鏡システムを用いて、128×128ピクセルのXY解像度で、深さ方向に10平面を4Hzで操作し、ニューロンの活動を捉えることに成功した。高速走査することにより、シグナル強度の低下が予想されたが、高感度検出器を用いれば十分な信号ー雑音比で観察することが狩野であることを確認した。目標とする300×300×50の解像度で観察できるように、顕微鏡のさらなる改良および最適化を進めているところである。また、得られた画像から単一スパインの活動を抽出するための画像解析プログラムを開発した。スパインの活動に応じた蛍光変化を捉え、半自動的に反応するピクセルを抽出する。未だ目視による確認と手動の修正が必要ではあるが、今後、更にアルゴリズムを改良することで、スパイン抽出の全自動化を目指す。スパインを観察するためには高倍率での観察が必要であるが、高倍率では拍動や動物の動きによる揺れが大きな問題となるため、画像の揺れ補正を含め検討することで、より効率の高いスパイン活動抽出プログラムを完成させる。開発した顕微鏡および解析プログラムを用いて、マウス体性感覚野において感覚シナプス入力の時空間パターンを解析した。感覚刺激により樹状突起上で近傍に位置するスパインが同期した入力を受け取ること、すなわち、樹状突起局所に機能的なクラスターが形成されていることが明らかとなった。さらに、感覚遮断によってこの機能的なクラスターが変化したことから、この機能的結合様式が感覚マップの形成に重要であることが示唆された。

現在までの達成度 (段落)

26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

26年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2014 実績報告書
  • 2013 実績報告書
  • 研究成果

    (20件)

すべて 2015 2014 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 10件、 オープンアクセス 3件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (10件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Structure–function relationships between aldolase C/Zebrin II expression and complex spike synchrony in the cerebellum2015

    • 著者名/発表者名
      Tsutsumi S, Yamazaki M, Miyazaki T, Watanabe M, Sakimura K, Kano M, Kitamura K
    • 雑誌名

      J Neurosci.

      巻: 35 号: 2 ページ: 843

    • DOI

      10.1523/jneurosci.2170-14.2015

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Rational design of a high-affinity, fast, red calcium indicator R-CaMP22015

    • 著者名/発表者名
      Inoue M, Takeuchi A, Horigane S, Ohkura M, Gengyo-Ando K, Fujii H, Kamijo S, Takemoto-Kimura S, Kano M, Nakai J, Kitamura K, Bito H
    • 雑誌名

      Nat Methods

      巻: 12 号: 1 ページ: 64

    • DOI

      10.1038/nmeth.3185

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Two distinct layer-specific dynamics of cortical ensembles during learning of a motor task.2014

    • 著者名/発表者名
      Masamizu Y, Tanaka YR, Tanaka YH, Hira R, Ohkubo F, Kitamura K, Isomura Y, Okada T, Matsuzaki M.
    • 雑誌名

      Nat. Neurosci

      巻: 17 号: 7 ページ: 987-994

    • DOI

      10.1038/nn.3739

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Spike timing-dependent selective strengthening of single climbing fibre inputs to Purkinje cells during cerebellar development2013

    • 著者名/発表者名
      Yoshinobu Kawamura, Hisako Nakayama, Kouichi Hashimoto, Kenji Sakimura, Kazuo Kitamura and Masanobu Kano.
    • 雑誌名

      Nat Commun.

      巻: 4 号: 1 ページ: 2732-2732

    • DOI

      10.1038/ncomms3732

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Relationship between the local structure of orientation map and the strength of orientation tuning of neurons in monkey V1: a 2-photon calcium imaging study2013

    • 著者名/発表者名
      Ikezoe, K., Mori, Y., Kitamura, K., Tamura, H., Fujita, I.
    • 雑誌名

      Journal of Neuroscience

      巻: 33(42) 号: 42 ページ: 16818-16827

    • DOI

      10.1523/jneurosci.2209-13.2013

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Disruption of cerebellar microzonal organization in GluD2 (Glurδ2) knockout mouse2013

    • 著者名/発表者名
      Hashizume M, Miyazaki T, Sakimura K, Watanabe M, Kitamura K, Kano M
    • 雑誌名

      Front Neural Circuits

      巻: 7 号: JUL ページ: 130-130

    • DOI

      10.3389/fncir.2013.00130

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Functional labeling of neurons and their projections using the synthetic activity-dependent promoter E-SARE2013

    • 著者名/発表者名
      Kawashima T, Kitamura K, Suzuki K, Nonaka M, Kamijo S, Takemoto-Kimura S, Kano M, Okuno H, Ohki K, Bito H.
    • 雑誌名

      Nature Methods

      巻: 10 号: 9 ページ: 889

    • DOI

      10.1038/nmeth.2559

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nonlinear Decoding and Asymmetric Representation of Neuronal Input Information by CaMKIIα and Calcineurin2013

    • 著者名/発表者名
      Fujii H, Inoue M, Okuno H, Sano Y; Takemoto-Kimura S, Kitamura K, Kano M, Bito H.
    • 雑誌名

      Cell Reports

      巻: 3 号: 4 ページ: 978

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2013.03.033

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Calcium-dependent regulation of climbing fibre synapse elimination during postnatal cerebellar development2013

    • 著者名/発表者名
      Kano M, Nakayama H, Hashimoto K, Kitamura K, Sakimura K, Watanabe M
    • 雑誌名

      J. Physiol.

      巻: 591 号: 13 ページ: 3151

    • DOI

      10.1113/jphysiol.2012.248252

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dendritic calcium signaling in cerebellar Purkinje cell2012

    • 著者名/発表者名
      Kitamura K
    • 雑誌名

      Neural Networks

      巻: 47 ページ: 11

    • DOI

      10.1016/j.neunet.2012.08.001

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Experience-Dependent Clustering of Sensory Synaptic Inputs in the somatosensory cortex2015

    • 著者名/発表者名
      Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
    • 学会等名
      第92回日本生理学会
    • 発表場所
      兵庫県神戸市神戸国際会議場
    • 年月日
      2015-03-23
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Two-photon imaging of neural activity at single neurons and single synapses: Optical physiology in vivo2014

    • 著者名/発表者名
      Kazuo Kitamura
    • 学会等名
      第37回日本神経科学学会
    • 発表場所
      神奈川県横浜市パシフィコ横浜
    • 年月日
      2014-09-12
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Highly sensitive calcium imaging of neural activity in vitro and in vivo with a new fluorescent calcium indicator, Cal-5202014

    • 著者名/発表者名
      Atsuya Takeuchi, Mayumi Tada, Miki Hashizume, Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
    • 学会等名
      第37回日本神経科学学会
    • 発表場所
      神奈川県横浜市パシフィコ横浜
    • 年月日
      2014-09-11
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Impairment of cerebellar microzonal organization by aberrant climbing fiber to Purkinje cell wiring in GluRδ2 (GluD2) knockout mouse.2013

    • 著者名/発表者名
      Miki Hashizume, Taisuke Miyazaki, Kenji Sakimura, Masahiko Watanabe, Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
    • 学会等名
      Neuroscience2013
    • 発表場所
      San Diego, USA
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Fine scale correspondence between the cerebellar microzones and the aldolase C compartments in mice.2013

    • 著者名/発表者名
      Shinichiro Tsutsumi, Maya Yamazaki, Taisuke Miyazaki, Masahiko Watanabe, Kenji Sakimura, Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
    • 学会等名
      Neuroscience2013
    • 発表場所
      San Diego, USA
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Selective strengthening of single climbing fiber inputs to Purkinje cells during postnatal cerebellar development in vivo.2013

    • 著者名/発表者名
      Yoshinobu Kawamura, Hisako Nakayama, Kouichi Hashimoto, Kenji Sakimura, Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
    • 学会等名
      Neuroscience2013
    • 発表場所
      San Diego, USA
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Postnatal desynchronization of climbing fiber responses in Purkinje cell populations of the developing cerebellum.2013

    • 著者名/発表者名
      Jean -M. Good, Taisuke Miyazaki, Kazuo Kitamura, Masahiko Watanabe, Kenji Sakimura, Masanobu Kano
    • 学会等名
      Neuroscience2013
    • 発表場所
      San Diego, USA
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 光で探る脳の活動 ~シナプスからニューロンまで~

    • 著者名/発表者名
      喜多村和郎
    • 学会等名
      第22回日本バイオイメージング学会学術集会公開講座
    • 発表場所
      東京
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 小脳皮質回路の機能構築と運動制御・運動記憶.

    • 著者名/発表者名
      喜多村和郎
    • 学会等名
      第2回記憶回路研究会
    • 発表場所
      岡崎
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 光で探る脳のはたらき~シナプスから回路へ~

    • 著者名/発表者名
      喜多村和郎
    • 学会等名
      量子エレクトロニクス研究会
    • 発表場所
      軽井沢
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書

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公開日: 2013-07-10   更新日: 2019-07-29  

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