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2017 年度 実施状況報告書

呼吸リズム形成に関わる延髄アストロサイトの周期性自発活動機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 17K08559
研究機関独立行政法人国立病院機構村山医療センター(臨床研究部)

研究代表者

岡田 泰昌  独立行政法人国立病院機構村山医療センター(臨床研究部), 電気生理学研究室, 室長 (80160688)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワード呼吸調節 / 呼吸リズム形成 / 延髄 / 摘出脳幹脊髄標本 / カルシウムイメージング / グリア細胞 / アストロサイト / preBotzinger Complex
研究実績の概要

自律的な呼吸リズムの形成メカニズムについては、これまでニューロンを対象とした多くの研究がなされてきたが、その実態は未解明であった。研究代表者らは、先行研究での延髄スライス標本を用いた実験により、吸息性ニューロンに先行して呼吸活動を呈する呼吸性アストロサイトを発見し、延髄アストロサイトが呼吸リズム形成に関与している可能性を示唆した。そこで、本研究では、スライス標本に比し広範囲の脳幹部ネットワーク機構が温存されている標本の呼吸リズム形成機構におけるアストロサイトの役割を解明することを目的とした。

実験では、新生ラットより作成した摘出脳幹脊髄標本にカルシウムイメージング法を応用し、細胞活動計測を行った。計測は、頚髄前根より呼吸神経出力をモニターしつつ行った。標本吻側断面で、呼吸リズム形成で重要とされるpreBotzinger Complex(preBotC)領域に蛍光カルシウム指示色素Oregon Greenを注入した。preBotC領域にレーザー光(488 nm)を照射し、そこからの蛍光(507 nm)を、高感度CCDカメラを装着した共焦点スキャナを用いて記録した。実験プロトコールとしては、まず、標準の人工脳脊髄液で標本を灌流しつつ細胞活動の計測を行った後、TTXを加えた人工脳脊髄液での灌流によるシナプス伝達遮断下でも計測を行った。

その結果、延髄preBotC領域において、呼吸リズムと同期した活動を呈するニューロンおよびアストロサイトを見出した。そして、TTX存在下では、ニューロン活動は消失するが、アストロサイトの活動は維持されることが確認され、アストロサイトの活動はニューロン活動に依存しない自律性のものであることが示された。本研究により、摘出脳幹脊髄標本というネットワーク機構が高度に温存された標本においても、延髄アストロサイトは呼吸リズム形成に関与しているものと考察された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

それは、カルシウムイメージング法で計測した細胞を、ニューロンとアストロサイトとに分類するための方法の確立にやや時間を要したためである。ただしこの問題は、文献に基づき、標準の計測後に、標本を低カリウム液で灌流することにより、細胞をニューロンとアストロサイトとに分類するという方法の妥当性を確認しえたので、解決済みである。

今後の研究の推進方策

呼吸性アストロサイトの周期性自発活動が、呼吸リズム形成に関わる詳細なメカニズムを明らかにする。そのため、以下の実験を行う。

(1) アストロサイト活動の薬理学的抑制・刺激に伴う吸息性ニューロン活動の変化: アストロサイト活動を抑える薬剤(fluoroacetate, aminoadipic acid, arundic acid, L-methionine sulfoximineなど)、アストロサイトのカルシウムオシレーションを抑えると予想されるIP3受容体阻害剤(2-APBなど)、およびアストロサイト活動を刺激する薬剤(t-ACPD)を投与した際の吸息性ニューロン活動および呼吸神経出力の変化を解析する。これら実験によって、吸息性神経出力形成におけるアストロサイトの機能的役割を明らかにする。
(2) グリオトランスミッターの受容体抑制に伴う吸息性ニューロン活動の変化: 呼吸性アストロサイトからグリオトランスミッターとして周期的に分泌され、吸息性ニューロンを興奮させている可能性のあるグルタミン酸、ATPについて、それらの受容体拮抗薬(CNQX, D-AP5, MK-801, PPADSなど)を投与した際の呼吸神経出力、および吸息性ニューロン活動を、前吸息性アストロサイト活動とあわせて、カルシウムイメージング法により解析する。
(3) 実験結果の総合的評価に基づく呼吸リズム形成理論の確立: 上記の解析結果を総合的に検討し、preBotCにおける呼吸リズム形成機構について、呼吸性アストロサイトの周期的自発活動の発生機序、それが呼吸性ニューロンと同期する機序の解明を、呼吸性アストロサイトから放出されるグリオトランスミッターの同定とともに行なう。これにより、preBotCにおいてグリア細胞が関与した呼吸リズム形成の詳細な機序を解明する。

次年度使用額が生じた理由

次年度使用額が生じた理由: 次年度使用額が生じたのは、物品費、旅費、人件費・謝金、その他の各支出額が、研究代表者の工夫により、当初の予算よりも少なくなるよう、抑えられたためである。

次年度使用計画: 次年度には、さらに多くの実験およびその成果発表を行う予定をしているため、次年度使用額は次年度に有効に使用される予定である。

  • 研究成果

    (24件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 8件)

  • [国際共同研究] カルガリー大学(カナダ)

    • 国名
      カナダ
    • 外国機関名
      カルガリー大学
  • [国際共同研究] メルボルン大学(オーストラリア)

    • 国名
      オーストラリア
    • 外国機関名
      メルボルン大学
  • [雑誌論文] Possible involvement of monoamine neurons in the emotional abnormality in Kir6.2-deficient mice2018

    • 著者名/発表者名
      Saito Atsumi、Miyagawa Kazuya、Miyagishi Hiroko、Kurokawa Kazuhiro、Umeda Akira、Okada Yasumasa、Tsuji Minoru、Takeda Hiroshi
    • 雑誌名

      Physiology & Behavior

      巻: 188 ページ: 251~261

    • DOI

      10.1016/j.physbeh.2018.02.014

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 低酸素換気応答におけるアストロサイトの役割2017

    • 著者名/発表者名
      福士 勇人, 堀内 城司, 岡田 泰昌
    • 雑誌名

      自律神経

      巻: 54 ページ: 109-117

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 呼吸の制御機構2017

    • 著者名/発表者名
      岡田 泰昌, 横田 茂文, 福士 勇人
    • 雑誌名

      Clinical Neuroscience

      巻: 35 ページ: 685-688

  • [学会発表] Role of glial cells in cardiorespiratory regulation2017

    • 著者名/発表者名
      Okada Y
    • 学会等名
      International Society for Autonomic Neuroscience Meeting (ISAN 2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Tetanic stimulation of the hypothalamus evokes persistent excitation in the ventrolateral medulla: Spatiotemporal dynamics analyzed by voltage-sensitive dye imaging2017

    • 著者名/発表者名
      Kono Y, Onimaru H, Fukushi I, Okazaki S, Yokota S, Takeda K, Hasebe Y, Koizumi K, Sugita K, Okada Y
    • 学会等名
      International Society for Autonomic Neuroscience Meeting (ISAN 2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Activated astrocytes induce persistence of post-stress blood pressure elevation2017

    • 著者名/発表者名
      Hasebe Y, Sugama S, Takeda K, Koizumi K, Yokota S, Fukushi I, Hoshiai M, Kakinuma Y, Pokorski M, Horiuchi J, Sugita K, Okada Y
    • 学会等名
      International Society for Autonomic Neuroscience Meeting (ISAN 2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Respiratory modulation of astrocytes in the ventrolateral medulla of the isolated brainstem-spinal cord of the neonatal rat2017

    • 著者名/発表者名
      Okada Y, Yazawa I, Okazaki S, Yokota S, Takeda K, Someya H, Tamura Y, Onimaru H
    • 学会等名
      XIV Oxford Conference on Modelling and Control of Breathing
    • 国際学会
  • [学会発表] Respiration-coupled rhythmic activity in the hypothalamus detected in the diencephalon-lower brainstem-spinal cord preparation2017

    • 著者名/発表者名
      Fukushi I, Kono Y, Yokota S, Okazaki S, Takeda K, Onimaru H, Okada Y
    • 学会等名
      XIV Oxford Conference on Modelling and Control of Breathing
    • 国際学会
  • [学会発表] Detection of respiratory modulated astrocytes in the ventrolateral medulla of the isolated brainstem-spinal cord by confocal calcium imaging2017

    • 著者名/発表者名
      Okada Y, Yazawa I, Okazaki S, Yokota S, Takeda K, Someya H, Tamura Y, Onimaru H
    • 学会等名
      Annual Meeting of the Society for Neuroscience (Neuroscience2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Rhythmic activity of astrocytes synchronized with alternating motor output during fictive locomotion2017

    • 著者名/発表者名
      Yazawa I, Okazaki S, Yokota S, Takeda K, Mikami Y, Fukushi I, Onimaru H, Okada Y
    • 学会等名
      Annual Meeting of the Society for Neuroscience (Neuroscience2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Post-stimulus persistent activation of the ventrolateral medulla in response to tetanic electrical stimulation of the hypothalamus analyzed by voltage imaging2017

    • 著者名/発表者名
      Kono Y, Onimaru H, Fukushi I, Okazaki S, Yokota S, Takeda K, Hasebe Y, Koizumi K, Sugita K, Okada Y
    • 学会等名
      Annual Meeting of the Society for Neuroscience (Neuroscience2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] 経皮的血液ガス分析のためのセンサー位置:胸壁と前腕の比較.2017

    • 著者名/発表者名
      梅田 啓、石坂 正大、田崎 正倫、山根 建樹、井上 寧、望月 太一、渡邉 泰治、岡田 泰昌
    • 学会等名
      第114回日本内科学会総会・講演会
  • [学会発表] Blockade of astrocytic activation delays the occurrence of severe hypoxia-induced seizure and respiratory arrest2017

    • 著者名/発表者名
      Fukushi I, Takeda K, Pokorski M, Horiuchi J, Okada Y
    • 学会等名
      第57回日本呼吸器学会学術講演会
  • [学会発表] Does intermittent hypoxia always produce weight loss in mice?2017

    • 著者名/発表者名
      Umeda A, Okada Y, Yamane T, Kadowaki H, Kubota N, Kadowaki T. Takeda K, Saito A, Miyagawa K, Takeda H
    • 学会等名
      第57回日本呼吸器学会学術講演会
  • [学会発表] 視床下部電気刺激で惹起される延髄腹側部の興奮:膜電位イメージングによる時空間ダイナミクス解析2017

    • 著者名/発表者名
      河野 洋介, 鬼丸 洋, 岡崎 俊太郎, 武田 湖太郎, 福士 勇人, 小泉 敬一, 星合 美奈子, 杉田 完爾, 岡田 泰昌
    • 学会等名
      第40回日本神経科学大会
  • [学会発表] マウス孤束核腹外側亜核の抑制性ニューロンによる呼吸調節2017

    • 著者名/発表者名
      横田茂文, 武田湖太郎, 岡田泰昌, 有馬陽介, 浅野裕彦, 安井幸彦
    • 学会等名
      第40回日本神経科学大会
  • [学会発表] アストロサイト活性化抑制剤arundic acidは厳しい低酸素曝露によるけいれん発生と死を遅らせる2017

    • 著者名/発表者名
      福士勇人, 武田湖太郎, 堀内城司, 岡田泰昌
    • 学会等名
      第40回日本神経科学大会
  • [学会発表] ロコモーション様腰髄神経出力に同期したアストロサイト活動:新生ラット摘出脊髄標本におけるカルシウムイメージング解析2017

    • 著者名/発表者名
      岡崎俊太郎, 三上裕嗣, 矢沢格, 武田湖太郎, 鬼丸洋, 岡田泰昌
    • 学会等名
      第40回日本神経科学大会
  • [学会発表] 遺伝的アルゴリズムを用いた画像認識によるマークシート自動採点システム2017

    • 著者名/発表者名
      染谷博司、岡田泰昌、越久仁敬、田村義保
    • 学会等名
      平成29年電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • [学会発表] Functional and morphological analysis of inhibitory neurons in the ventrolateral nucleus of the solitary tract on respiratory control2017

    • 著者名/発表者名
      Shigefumi Yokota, Kotaro Takeda, Yasumasa Okada, Yosuke Arima, Yukihiko Yasui, Nancy L. Chamberlin
    • 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] Central mechanism of hypoxic respiratory regulation2017

    • 著者名/発表者名
      Yasumasa Okada, Itaru Yazawa, Kotaro Takeda, Shuntaro Okazaki, Makoto Uchiyama, Isato Fukushi, Shigefumi Yokota, Yasuo Mori, Mieczyslaw Pokorski, Hiroshi Onimaru
    • 学会等名
      第95回日本生理学会
  • [学会発表] 新生ラットの摘出間脳-脳幹-脊髄標本において呼吸と同期する活動を示す視床下部領域の発見2017

    • 著者名/発表者名
      福士勇人、河野洋介、横田茂文、岡崎俊太郎、武田湖太郎、鬼丸洋、岡田泰昌
    • 学会等名
      第95回日本生理学会

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公開日: 2018-12-17  

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