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大脳皮質錐体細胞の興奮性シナプスを形成する後シナプス部位の多くはスパインと呼ばれる棘状の構造を形成している。このスパインはシナプスの活動依存的な形態可塑性を示すことが知られており、記憶や学習などの脳機能と関連する部位として考えられている。本研究の目的は、大脳機能のシナプス基盤をより直接的に解明するため、樹状突起スパインの形態をシナプス機能の指標とし、ケイジド化合物などを用いた新しい光技術によるシナプス可塑性の系統的操作法を開発することである。
これまで、光刺激によるスパイン増大の誘発法は確立されていたが、スパイン収縮及び除去の誘発に関しては電気刺激による報告があるのみで、ケイジドグルタミン酸を用いた光刺激では収縮が誘発し難い状況が続いてきた。しかし、これまでの我々の研究から、海馬スライス培養標本において、ケイジドグルタミン酸とケイジドGABAの2色光刺激法を用いることで、スパインの収縮及び除去の誘発が可能であることが判明した。そして、スパイン増大は単一スパインレベルで調節されているのに対して、収縮に関しては刺激したスパインだけでなく、その周囲のスパインにおいても収縮が見られることが分かった。
さらに、多種の薬理学実験やカルシウムイメージングを行うことで、スパイン収縮の分子基盤が明らかとなった。また、収縮の前後において、AMPA受容体電流を取得することで、スパイン収縮と長期抑圧の相関関係を確認した。さらには、隣接するスパインにおいてそれぞれに増大・収縮刺激を加えた際の、各スパインの形態変化を観察することで、局所的なシナプス競合則の解明に取り組むことが可能となった。これは、空間分解能に優れた光刺激だからこそ可能となった実験である。今後は、この局所シナプス競合則のより詳細な分子基盤の解明に取り組む予定である。
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