研究課題
我々は、ケイジドグルタミン酸を2光子励起法で活性化する手法により、海馬錐体細胞において、機能的AMPA受容体発現とスパイン形態に強い相関があることを見出してきた。そこで本研究において、2光子励起によってケイジドグルタミン酸を活性化して単一スパインで可塑性を誘発し、そのスパイン形態依存性の特徴を解析した。さらにパッチクランプ法を組み合わせることで機能的AMPA受容体およびスパイン形態の時空間変化の連関を検討した。GFPを発現した海馬CA1錐体細胞の単一スパインに、細胞外のマグネシウムをなくした条件で、2光子励起法によるグルタミン酸の頻回刺激を行い、形態変化を追跡した。その結果、多くの場合、反復刺激直後に、刺激したスパインの頭部の肥大化が観察された。刺激前すでに大きかったスパインでは、刺激後一過的に頭部の肥大化が起こるが、30分以内で元の大きさに戻った。一方、小さなスパインでは頭部の肥大が2時間以上持続することが見出された。スパインの増大の多くは刺激スパイン特異的であることから、スパインの形態可塑性は単一スパインレベルで起こっている。これらの結果は、「小さいスパインは大きくなり易く、大きいスパインほど安定である」、という単純な法則が成立することを示唆している。スパイン頭部の肥大化はNMDA受容体阻害剤、カルモジュリン阻害剤、およびアクチン重合阻害剤によってほぼ完全に阻害された。シナプス前線維のテタヌス電気刺激によっても、一部のスパイン頭部に同様な形態変化が起こることから、この現象はシナプス可塑性に重要な役割を担っていることが示唆された。さらに穿孔パッチした錐体細胞において脱分極と2光子励起ケイジドグルタミン酸法を組み合わせることで、刺激スパインのみでAMPA受容体反応を増強させることに成功した。AMPA受容体反応が増強される場合、形態の増大も伴い、また頭部肥大が起こらない場合、AMPA受容体反応も増強されないことがわかった。この結果は、AMPA受容体の機能発現とスパイン形態が、可塑性の過程においても強く連関することを示している。
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