大脳新皮質の基本構築をシナプス結合則から読み解く

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H04663
• 研究機関: 順天堂大学
• 研究代表者: 日置 寛之 順天堂大学, 医学部, 准教授 (00402850)
• 研究分担者: 田中 琢真 滋賀大学, データサイエンス学部, 准教授 (40526224)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 神経回路 / 抑制性神経細胞 / 遺伝子工学 / 透明化技術 / シナプス結合則

研究実績の概要

高次機能発現や各種精神疾患との深い関連が指摘されている皮質GABA細胞に注目し、大脳新皮質の基本構築を明らかにする。シナプス結合部位の違いは、神経細胞の活動性に多大な影響を与えることから、単一シナプスレベルで回路構造を解析することが、大脳新皮質の動作原理解明に必須である。また、理論解析を通じ、シナプス結合部位がネットワークの動作特性に与える影響を検証する。さらに、透明化技術の実践的応用開発も進め、次世代の形態解析法創成にも努める。平成29年度は以下の課題に取り組んだ。
(1) 以前の研究にて、各種GABA細胞からPV細胞への入力様式をS1にて検討した。VIP細胞からの入力は細胞体を、PV・SOM細胞からの入力は樹状突起を好むことを明らかにした（Hioki et al., 2013; Hioki 2015）。すなわち、PV細胞は部位特異的なシナプス入力を受けていることを明らかにした。
M1でも同様の解析を進めたところ、皮質興奮性入力（VGluT1）・視床興奮性入力（VGluT2）・皮質抑制性入力（VGAT）入力様式についてはS1と同じ結果が得られ、領野を超えた一般原則だと考えられる。一方、各種GABA細胞からの入力様式を解析したところ、細胞体でも樹状突起でもPV発現細胞からの入力が多数を占め、S1のような部位指向性は認められなかった。すなわち、細胞種レベルで結合関係を眺めると、皮質構造は領野間で不均一であり、処理すべき情報に応じて結合様式が最適化されていると考えられる。
(2) 取得したパラメタをもとに、S1におけるPV発現細胞の発火特性を検討した。抑制性シナプス入力部位によって、同期特性が大きく変わることを見出している。
(3) スライス標本を透明化するプロトコールの開発を進め、大幅な時間の短縮に成功している。
また、電子顕微鏡観察に適した固定法・包埋法の検討も進めた。

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

特に大きな問題も生じず、順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

『構造無き機能は無い』という旗標を掲げ、大脳新皮質が高次機能を実現する仕組みの謎に、形態学的視点から挑む。高次機能発現や各種精神疾患との深い関連が指摘されている皮質GABA細胞に注目し、大脳新皮質の基本構築を明らかにする。近年、GABA細胞同士の結合解析が盛んに行われているが、どれも空間解像度が細胞体レベルに限定され、シナプス入力部位に関する解析は大きく後れを取っている。シナプス結合部位の違いは、神経細胞の活動性に多大な影響を与えることから、単一シナプスレベルで回路構造を解析することが、大脳新皮質の動作原理解明に必須である。また、理論解析を通じ、シナプス結合部位がネットワークの動作特性に与える影響を検証する。さらに、透明化技術の実践的応用開発も進め、次世代の形態解析法創成にも努める。
(1) PV発現細胞に対する部位特異的シナプス結合について、生理学的もしくは分子生物学的見地から検討を進める。また、S1の第4-6層に分布するVIP発現細胞、そしてSOM発現細胞に対する各種シナプス様式の解析を進めていく。
(2) ２つのPV細胞を相互に結合させ（２体対称結合系）、同期パターンの解析を行ってきた。２体対称結合系を大規模ネットワークモデルへと拡張可能かを検証する。
(3) 光顕と電顕の対応（LM-EM correlation）を効率的に行う技術を確立していく。

研究成果

• [国際共同研究] Layola University/New York Medical Center(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Layola University/New York Medical Center
• [国際共同研究] Georg-August-University(Germany)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Georg-August-University
• [国際共同研究] University of Oxford(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Oxford
• [国際共同研究] University of Debrecen(Hungary)
  • 国名: ハンガリー
  • 外国機関名: University of Debrecen
• [国際共同研究] IBioBA(Argentina)
  • 国名: アルゼンチン
  • 外国機関名: IBioBA
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 1
• [雑誌論文] Hippocampal ripples down-regulate synapses (2018)
  • 著者名/発表者名: Norimoto Hiroaki、Makino Kenichi、Gao Mengxuan、Shikano Yu、Okamoto Kazuki、Ishikawa Tomoe、Sasaki Takuya、Hioki Hiroyuki、Fujisawa Shigeyoshi、Ikegaya Yuji
  • 雑誌名: Science 巻: 359 ページ: 1524～1527
  • DOI: 10.1126/science.aao0702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single-cell bioluminescence imaging of deep tissue in freely moving animals (2018)
  • 著者名/発表者名: Iwano S, Sugiyama M, Hama H, Watakabe A, Hasegawa N, Kuchimaru T, Tanaka KZ, Takahashi M, Ishida Y, Hata J, Shimozono S, Namiki K, Fukano T, Kiyama M, Okano H, Kizaka-Kondoh S, McHugh TJ, Yamamori T, Hioki H, Maki S, Miyawaki A
  • 雑誌名: Science 巻: 359 ページ: 935～939
  • DOI: 10.1126/science.aaq1067
  • 査読あり
• [雑誌論文] Parvalbumin-producing striatal interneurons receive excitatory inputs onto proximal dendrites from the motor thalamus in male mice (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakano Yasutake、Karube Fuyuki、Hirai Yasuharu、Kobayashi Kenta、Hioki Hiroyuki、Okamoto Shinichiro、Kameda Hiroshi、Fujiyama Fumino
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience Research 巻: in press ページ: in press
  • DOI: 10.1002/jnr.24214
  • 査読あり
• [雑誌論文] Shaping somatosensory responses in awake rats: cortical modulation of thalamic neurons (2017)
  • 著者名/発表者名: Hirai Daichi、Nakamura Kouichi C.、Shibata Ken-ichi、Tanaka Takuma、Hioki Hiroyuki、Kaneko Takeshi、Furuta Takahiro
  • 雑誌名: Brain Structure and Function 巻: 223 ページ: 851～872
  • DOI: 10.1007/s00429-017-1522-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dorsal and ventral parts of thalamic nucleus submedius project to different areas of rat orbitofrontal cortex: A single neuron-tracing study using virus vectors (2017)
  • 著者名/発表者名: Kuramoto Eriko、Iwai Haruki、Yamanaka Atsushi、Ohno Sachi、Seki Haruka、Tanaka Yasuhiro R.、Furuta Takahiro、Hioki Hiroyuki、Goto Tetsuya
  • 雑誌名: Journal of Comparative Neurology 巻: 525 ページ: 3821～3839
  • DOI: 10.1002/cne.24306
  • 査読あり
• [雑誌論文] Parvalbumin-expressing interneurons can act solo while somatostatin-expressing interneurons act in chorus in most cases on cortical pyramidal cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Safari Mir-Shahram、Mirnajafi-Zadeh Javad、Hioki Hiroyuki、Tsumoto Tadaharu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 12764
  • DOI: 10.1038/s41598-017-12958-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 増大特集 細胞多様性解明に資する光技術─見て,動かす Ⅰ.見る,観る,視る マクロレベルからナノレベルまでの連続イメージング (2017)
  • 著者名/発表者名: 日置 寛之、濱 裕、孫 在隣、黄 晶媛、並木 香奈、星田 哲志、黒川 裕、宮脇 敦史
  • 雑誌名: 生体の科学 巻: 68 ページ: 416～417
  • DOI: 10.11477/mf.2425200672
• [雑誌論文] 脳透明化技術の現状と今後の発展―ScaleS法に焦点を当てて― (2017)
  • 著者名/発表者名: 日置寛之、濱裕、孫在隣、黄晶媛、並木香奈、星田哲志、黒川裕、宮脇敦史
  • 雑誌名: 日本薬理学雑誌 巻: 149 ページ: 173～179
  • DOI: 10.1254/fpj.149.173
  • 査読あり
• [学会発表] マウス第一次運動野パルブアルブミン陽性GABA細胞に対する興奮性・抑制性入力の定量的解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 日置寛之、孫在隣、岡本慎一郎、亀田浩司
  • 学会等名: 第123回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] Projection patterns of corticofugal neurons associated with vibrissa movement. (2018)
  • 著者名/発表者名: 古田貴寛、柴田憲一、田中琢真、日置寛之
  • 学会等名: 第123回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] マクロレベルからナノレベルまでの連続イメージング (2018)
  • 著者名/発表者名: 日置寛之
  • 学会等名: 第43回レーザ顕微鏡研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Tet-Off搭載アデノ随伴ウイルスベクターを用いた神経細胞への効率的遺伝子導入 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石田葉子、孫在隣、高橋慧、岡本慎一郎、古田貴寛、日置寛之
  • 学会等名: 第40回日本分子生物学会
• [学会発表] Efficient Gene Delivery into Neuronal Cells using Adeno-Associated Virus Vector Equipped with the Tet-Off System. (2017)
  • 著者名/発表者名: 日置寛之、孫在隣、高橋慧、岡本慎一郎、石田葉子、古田貴寛
  • 学会等名: 第40回日本神経科学大会
• [学会発表] Hippocampal ripples induce synaptic downscaling and restore memory capacity. (2017)
  • 著者名/発表者名: 乗本裕明、牧野健一、Mengxuan Gao、日置寛之、藤澤茂義 、池谷裕二
  • 学会等名: 第40回日本神経科学大会
• [学会発表] Viral tracing with rabies virus vector identifies different disynaptic inputs to the hippocampal subfields along the dorsoventral axis in the rat. (2017)
  • 著者名/発表者名: 大原慎也、石井宏憲、日置寛之、筒井健一郎、、Menno P Witter、飯島敏夫
  • 学会等名: 第40回日本神経科学大会
• [学会発表] Grand design of the neocortex (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Hioki
  • 学会等名: The 44th Seminar on RIKEN Center for Advanced Photonics
  • 招待講演
• [学会発表] 大脳新皮質のグランドデザインを読み解く ~解析例と技術開発~cc (2017)
  • 著者名/発表者名: 日置寛之
  • 学会等名: 第69回日本細胞生物学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] Dorsal and ventral parts of the rat thalamic submedial nucleus provide two independent inputs to different areas of orbital cortex. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kuramoto E, Iwai H, Yamanaka A, Seki H, Ohno S, Sendo R, Koyanagi K, Toyodome S, Furuta T, Hioki H, Goto T
  • 学会等名: 第122回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] A Single Vector Platform for High-Level Gene Transduction of Central Neurons: AAV Vector Equipped with the Tet-Off System (2017)
  • 著者名/発表者名: 日置寛之、孫在隣、高橋慧、岡本慎一郎、石田葉子、古田貴寛
  • 学会等名: 第122回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [備考] 研究室webページ
  • URL: http://www.juntendo.ac.jp/graduate/laboratory/labo/shinkei_kozo/k2.html