大脳皮質における非カラム的局所回路の作動原理の究明

2012 年度 実績報告書

• 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: 23115101
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 金子 武嗣 京都大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (90177519)
• 研究分担者: 野村 洋 東京大学, 薬学研究科(研究院), 助教 (10549603)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 神経解剖学 / 運動皮質 / 神経回路網 / 遺伝子工学 / 理論構築

研究実績の概要

2012年度には皮質メゾ回路を解明するために以下の実験を行った。
（１）運動系皮質の神経回路を解析するための解析ツールとして情報入力部位が可視化された遺伝子改変動物などを開発する研究：Gensat/NIH より購入した VIP/Cre, Somatostatin/Cre IRES knock-in mouse に樹状突起・細胞体を選択的に可視化するウィルスベクターを感染させて、情報入力部位の完全可視化に成功している。この介在ニューロンへの興奮性・抑制性入力を定量的な解析を始めた。
（２）従来の細胞内染色の手法を用いて「From one to group」に皮質の局所回路網を形態学的に解析する研究：すなわち、まず一方で、細胞内記録法・ホールセルパッチ法などにより電気的・化学的性質が調べられた１個のニューロンを細胞内染色し、特にその情報出力部位である軸索を染色する。他方で、遺伝子発現などの機能により分類された１群のニューロンの細胞体・樹状突起 (情報入力部位) をゴルジ染色様に標識し、細胞内染色された軸索 (From one) が１群の細胞体・樹状突起に (to group) どのように入力するか定量的に解析する。2012年度には、大脳皮質の３大抑制性インターニューロンのうち parvalbumin 産生ニューロンの樹状突起細胞体が標識された遺伝子改変マウスを用いて、皮質スライスを作製して錐体ニューロンの細胞内標識をする実験を進めている。
（３）多ニューロンCa2+画像法(fMCI)を用いる、あるいは遺伝子改変動物を用いて多ニューロン膜電位画像法を確立する、などして自発および刺激状況下で特定の皮質機能ニューロン群の動的反応特性を検討する研究：この部分については東京大・野村洋助教が主として分担して実行した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

項目（１）の遺伝子改変動物の作製については、少し作戦変更をして、樹状突起細胞体を可視化できるウィルスベクターの開発を先行して進めた。その結果、２種類の介在ニューロンの情報入力部位の可視化に成功しており、興奮性・抑制性入力を定量的に解析しつつある。
項目（２）と（３）については、概ね順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

２年目が終わるところであるので研究計画を見直した。
（１）遺伝子改変動物の作成については上記のように、樹状突起・細胞体を選択的に可視化するウィルスベクターを開発することを優先する。実際、ほぼ成功しつつ有るので、この方法で、皮質介在ニューロンへの興奮性・抑制性入力を解析を始め、定量的な所見を取る方向に舵を切った。
（２）既に作成済みのparvalbumin 産生ニューロンの樹状突起細胞体が標識された遺伝子改変マウスを用いて、皮質スライスを作製して錐体ニューロンの細胞内標識をする実験を進める。所見の５０％くらいは集まりつつ有るので、これからの１年で所見を完成させ、論文にするように予定している。
（３）多ニューロンCa2+画像法(fMCI)を用いる方法は確立しているので、in vivo の実験系で、自発および刺激状況下で特定の皮質機能ニューロン群の動的反応特性を検討する。この部分については東京大・野村洋助教が主として分担して実行する予定である。

研究成果

• [雑誌論文] A quantitative analysis of axon bouton distribution of subthalamic nucleus neurons in the rat by single neuron visualization with a viral vector. (2013)
  • 著者名/発表者名: Koshimizu Y, Fujiyama F, Nakamura KC, Furuta T, *Kaneko T.
  • 雑誌名: The Journal of Comparative Neurology 巻: 521 ページ: 2125-2146
  • DOI: 10.1002/cne.23277
  • 査読あり
• [雑誌論文] Differential expression of VGLUT1 or VGLUT2 in the trigeminothalamic or trigeminocerebellar projection neurons in the rat. (2013)
  • 著者名/発表者名: Ge S-N, Li Z-H, Tang J, Ma Y, Hioki H, Zhang T, Lu Y-C, Zhang F-X, Mizuno N, Kaneko T,Liu Y-Y, Lung MSY, Gao G-D, Li J-L.
  • 雑誌名: Brain Structure and Function 巻: 219 ページ: 211-229
  • DOI: 10.1007/s00429-012-0495-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Accumulation of GABAergic neurons, causing a focal ambient GABA gradient, and downregulation of KCC2 are induced during microgyrus formation in a mouse model of polymicrogyria. (2013)
  • 著者名/発表者名: Wang T, Kumada T, Morishima T, Kaneko T, Yanagawa Y, Yoshida S, Fukuda A
  • 雑誌名: Cerebral Cortex 巻: in press ページ: in press
  • DOI: 10.1093/cercor/bhs375
  • 査読あり
• [雑誌論文] Correlative analysis of immunoreactivity in confocal laser-scanning microscopy and scanning electron microscopy with focused ion beam milling. (2013)
  • 著者名/発表者名: Sonomura T, Furuta F, Nakatani I, Yamamoto Y, Unzai T, Matsuda W, Iwai h, Yamanaka A, Uemura M, Kaneko T
  • 雑誌名: Frontiers in Neural Circuits 巻: 7 ページ: article 26
  • DOI: 10.3389/fncir.2013.00026
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local connections of excitatory neurons in motor-associated cortical areas of the rat. (2013)
  • 著者名/発表者名: Kaneko T
  • 雑誌名: Frontier in Neural Circuits 巻: in press ページ: in press
  • DOI: 10.3389/fncir.2013.00075
  • 査読あり
• [雑誌論文] Replicating receptive fields of simple and complex cells in primary visual cortex in a neuronal network model with temporal and population sparseness and reliability. (2012)
  • 著者名/発表者名: Tanaka T, Aoyagi T, Kaneko T
  • 雑誌名: Neural Computation 巻: 24 ページ: 2700-2725
  • DOI: 10.1162/NECO_a_00341
  • 査読あり
• [雑誌論文] Area-specific substratification of deep layer neurons in the rat cortex. (2012)
  • 著者名/発表者名: Watakabe A, Hirokawa J, Ichinohe N, Ohsawa S, Kaneko T,Rockland KS, Yamamori T, Rockland KS, Yamamori T.
  • 雑誌名: The Journal of Comparative Neurology 巻: 520 ページ: 3553-3573
  • DOI: 10.1126/scitranslmed
  • 査読あり
• [雑誌論文] Projection neurons in lamina III of the rat spinal cord are selectively innervated by local dynorphin-containing excitatory neurons. (2012)
  • 著者名/発表者名: Baseer N, Polg#225;r E, Watanabe M, Furuta T, Kaneko T, Todd AJ
  • 雑誌名: The Journal of Neuroscience 巻: 32 ページ: 11854-11863
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.2707-12.2012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Visualization of cortical projection neurons with retrograde TET-Off lentiviral vector. (2012)
  • 著者名/発表者名: Watakabe A, Kato S, Kobayashi K, Takaji M, Nakagami Y, Sadakane O, Ohtsuka M, Hioki H, Kaneko T, Okuno H, Kawashima T, Bito H, Kitamura Y, Yamamori T
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 7 ページ: e46157
  • DOI: 1371/journal.pone.0046157
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cell type-specific inhibitory inputs to dendritic and somatic compartments of parvalbumin-expressing neocortical interneuron. (2012)
  • 著者名/発表者名: Hioki H, Okamoto S, Konno M, Kameda H, Sohn J, Kuramoto E, Fujiyama F, Kaneko T
  • 雑誌名: The Journal of Neuroscience 巻: 33 ページ: 544-555
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.2255-12.2013
  • 査読あり
• [学会発表] Cell type-specific inhibitory inputs to dendritic and somatic compartments of parvalbumin-expressing neocortical interneuron. (2012)
  • 著者名/発表者名: 日置寛之, 岡本慎一郎, 今野美知輝, 亀田浩司, 孫在隣, 倉本恵梨子, 藤山文乃,金子武嗣
  • 学会等名: Society for Neuroscience Annual Meeting
  • 発表場所: New Orleans, MI, USA
  • 年月日: 2012-10-13 – 2012-10-13
• [学会発表] Preprodynorphin-producing neocortical interneurons constitute a subpopulation of somatostatin-expressing neurons. (2012)
  • 著者名/発表者名: 孫在隣, 日置寛之, 岡本慎一郎, 金子武嗣
  • 学会等名: Society for Neuroscience Annual Meeting
  • 発表場所: New Orleans, MI, USA
  • 年月日: 2012-10-13 – 2012-10-13
• [学会発表] Optogenetic stimulation of medullary raphe-projecting axons of dorsomedial hypothalamic neurons elicits thermogenic and cardiovascular responses. (2012)
  • 著者名/発表者名: 中村公一, 片岡直也, 日置寛之, 金子武嗣
  • 学会等名: Optogenetics and Pharmacogenetics in Neuronal Function and Dysfunction
  • 発表場所: Stanford University, California
  • 年月日: 2012-10-11 – 2012-10-11
• [学会発表] Single-neuron tracing study of thalamocortical projections arising from the rat mediodorsal nucleus by using a Sindbis viral vector. (2012)
  • 著者名/発表者名: 倉本恵梨子,潘世秀,古田貴,日置寛,金子武嗣
  • 学会等名: 第35回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2012-09-18 – 2012-09-21
• [学会発表] Activation of catecholaminergic nuclei in the brainstem of the rat by acute sustained hypoxia. (2012)
  • 著者名/発表者名: Lung Mandy, 日置寛之, 金子武嗣
  • 学会等名: 第35回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2012-09-18 – 2012-09-21
• [学会発表] Types of rat pallidofugal projection system revealed by single-neuron tracing study with a viral vector. (2012)
  • 著者名/発表者名: 藤山文乃,中野隆,古田貴寛,雲財知,金子武嗣
  • 学会等名: 第35回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2012-09-18 – 2012-09-21
• [学会発表] ラット線条体ストリオソーム・マトリックス構造における視床正中線核群および髄板内核群単一ニューロン投射の定量的解析 (2012)
  • 著者名/発表者名: 雲財知 , 倉本恵梨子 , 金子武嗣 , 藤山文乃
  • 学会等名: 第35回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2012-09-18 – 2012-09-21
• [学会発表] Targets of the subthalamic nucleus in the neostriatum. (2012)
  • 著者名/発表者名: 越水義登, 古田貴寛, 金子武嗣
  • 学会等名: 第35回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2012-09-18 – 2012-09-21
• [学会発表] Axonal arborization of midbrain non-dopaminergic neurons: single-cell study. (2012)
  • 著者名/発表者名: 松田和郎, 古田貴寛, 薗村貴弘, 金子武嗣, 宇田川潤
  • 学会等名: 第35回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2012-09-18 – 2012-09-21
• [学会発表] ヒゲ感覚システムにおける大脳皮質深部の遠距離投射ニューロンが形成する回路の構造と機能 (2012)
  • 著者名/発表者名: 平井大地 , 古田貴寛 , 金子武嗣
  • 学会等名: 第35回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2012-09-18 – 2012-09-21
• [学会発表] The loss of mDia, a Rho effector and actin nucleator, disrupts Ephrin-mediated axon guidance, leading to defective left-right limb alternation during locomotion. (2012)
  • 著者名/発表者名: 豊田洋輔 , 篠原亮太, Thumkeo Dean, 上條博史, 西村浩氏, 日置寛之 , 金子武嗣 ,石崎敏政 , 古屋敷智之, 成宮周
  • 学会等名: 第35回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2012-09-18 – 2012-09-21
• [学会発表] 大脳皮質ソマトスタチン陽性抑制性細胞の一部はプレプロダイノルフィンを産生する (2012)
  • 著者名/発表者名: 孫在隣 , 日置寛之 , 岡本慎一郎 , 金子武嗣
  • 学会等名: 第35回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2012-09-18 – 2012-09-21
• [学会発表] Exploration of cortical dynamics: Monte Carlo sampling of learning rules on a recurrent neuronal network. (2012)
  • 著者名/発表者名: 早川隆, 金子武嗣, Iba Y, 青柳富誌生
  • 学会等名: 第35回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2012-09-18 – 2012-09-21
• [学会発表] Sparsity conditions for local learning algorithms on recurrent neuronal networks: Recurrent Infomax as an example. (2012)
  • 著者名/発表者名: 早川隆, 金子武嗣, 青柳富誌生
  • 学会等名: 日本神経回路学会 第22回全国大会
  • 発表場所: 名古屋工業大学
  • 年月日: 2012-09-13 – 2012-09-13
• [備考] 高次脳形態学
  • URL: http://www.mbs.med.kyoto-u.sc.jp/