睡眠時の記憶制御の分子・神経メカニズムの解明

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H02523
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 山中 章弘 名古屋大学, 環境医学研究所, 教授 (60323292)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 睡眠覚醒 / 脳波筋電図 / レム睡眠 / 視床下部 / 記憶 / nVista / 海馬 / 光遺伝学

研究実績の概要

睡眠中に記憶が固定・消去されていると考えられているが、どのように調節されているのか神経科学的に解明されていない。本研究では、睡眠時の記憶消去に重要であることを独自に同定したメラニン凝集ホルモン(MCH)神経に対して、最新の光技術を駆使した神経活動の光操作と光記録を適用し、睡眠覚醒解析と記憶を評価する行動実験とを組み合わせることによって、睡眠時の記憶制御メカニズムについて神経回路レベル、細胞レベルにて詳細に明らかにすることを目的としている。遺伝子改変マウスとアデノ随伴ウイルスベクターを用いて、メラニン凝集ホルモン産生神経活動を光遺伝学や化学遺伝学を用いて操作可能なマウスを作出し、神経活動操作時に記憶がどのように制御されるのかについて明らかにした。光遺伝学、化学遺伝学を用いて、MCH神経を活性化させると、海馬依存的な記憶が消去または抑制されることを明らかにした。また、抑制すると記憶が向上することを見いだした。これらの結果はMCH神経活動が海馬依存的な記憶に関わっていることを示している。そこで、MCH神経の活動を睡眠覚醒中のマウス脳内において測定するために、MCH神経特異的にカルシウムインジケータであるGCaMP6を発現するマウスを作成した。これらのマウスの脳内にGRINレンズを刺入し、マイクロエンドスコープを頭上に装着することによって、MCH神経活動を1細胞レベルで記録した。脳波筋電図記録と組み合わせて、睡眠覚醒状態を判定しながら、MCH神経活動を解析したところ、MCH神経はレム睡眠中と覚醒時に活動が高くなっていた。そのため、次にMCH神経の活動を睡眠覚醒状態依存的に操作した。MCH神経特異的に光で神経活動を抑制するArchTを発現させ、覚醒時、ノンレム睡眠時、レム睡眠時に神経活動を抑制した。その結果、レム睡眠中での抑制が記憶の向上に関わっていることを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

自由行動するマウスの脳内のMCH神経を1細胞レベルで観察出来るマイクロエンドスコープを用いて、MCH神経にはレム睡眠中に活動するMCH神経と覚醒時に活動するMCH神経の2種類があることを世界で初めて明らかにした。そこで、これら2種類のMCH神経の役割について明らかにするために、リアルタイムで脳波筋電図を記録しながら、睡眠覚醒状態を判定し、光照射の信号を出す装置のセットアップを終えて、睡眠覚醒状態依存的に神経活動を光遺伝学を用いて操作することが可能になった。この装置を用いて、記憶の評価を行う行動実験と組み合わせることで、レム睡眠中のMCH神経活動が記憶制御に関わっていることを明らかにする検討を行った。睡眠覚醒状態依存的光遺伝学によるMCH神経の抑制によって、レム睡眠中のMCH神経活動が記憶制御に関わっていることを明らかにすることに成功しているため、当初の計画以上に進んでいると判断した。

今後の研究の推進方策

レム睡眠中のMCH神経活動が海馬において記憶の抑制に関わっていることが明らかになったため、海馬においてどのようなメカニズムで、記憶の抑制が生じるのかについてメカニズムの検討を行う。MCH神経特異的に光遺伝学を適用して神経回路操作を行い、分子レベルにおいてメカニズムを明らかにする研究を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Functional emergence of a column-like architecture in layer 5 of mouse somatosensory cortex in vivo (2019)
  • 著者名/発表者名: Koizumi K, Inoue M, Chowdhury S, Bito H, Yamanaka A, Ishizuka T, *Yawo H
  • 雑誌名: J Physiol Sci 巻: 69(1) ページ: 65-77
  • DOI: doi: 10.1007/s12576-018-0618-4.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large Timescale Interrogation of Neuronal Function by Fiberless Optogenetics Using Lanthanide Micro-particles (2019)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki T, Chowdhury S, Yamashita T, Matsubara T, Yawo H, Yuasa H, Yamanaka A*
  • 雑誌名: Cell Rep 巻: 26(4) ページ: 1033-1043
  • DOI: doi: 10.1016/j.celrep.2019.01.001.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Preproenkephalin-expressing ventral pallidal neurons control inhibitory avoidance learning. 2019 (in press) (2019)
  • 著者名/発表者名: Macpherson T, Mizoguchi H, Yamanaka A, Hikida T
  • 雑誌名: Neurochem Int 巻: 126 ページ: 11-18
  • DOI: doi: 10.1016/j.neuint.2019.02.011.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Upconversion Amplification through Dielectric Superlensing Modulation (2019)
  • 著者名/発表者名: Liang L, Teh DBL, Dinh ND, Chen W, Chen Q, Wu Y, Chowdhury S, Yamanaka A, Sum TC, Chen CH, Thakor NV, All AH, Liu X
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 10(1) ページ: 1391
  • DOI: doi: 10.1038/s41467-019-09345-0.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Opposing roles of dopamine receptor D1- and D2-expressing neurons in the anteromedial olfactory tubercle in acquisition of place preference in mice (2019)
  • 著者名/発表者名: Murata K, Kinoshita T, Fukazawa Y, Kobayashi K, Yamanaka A, Hikida T, Manabe H, Yamaguchi M
  • 雑誌名: Front Behav Neurosci 巻: 13 ページ: 50
  • DOI: doi: 10.3389/fnbeh.2019.00050.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Glutamatergic neurons in the medial prefrontal cortex mediate the formation and retrieval of cocaine-associated memories in mice (2019)
  • 著者名/発表者名: Zhang T, Yanagida J, Kamii H, Wada S, Domoto M, Sasase H, Deyama S, Takarada T, Hinoi E, Sakimura K, Yamanaka A, Maejima T, Mieda M, Sakurai T, Nishitani N, Nagayasu K, Kaneko S, Minami M, Kaneda K
  • 雑誌名: Addict Biol 巻: - ページ: -
  • DOI: doi: 10.1111/adb.12723.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reward probability and timing uncertainty alter the effect of dorsal raphe serotonin neurons on patience (2018)
  • 著者名/発表者名: *Miyazaki K, Miyazaki KW, Yamanaka A, Tokuda T, Tanaka KF, Doya K
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 9(1) ページ: 2048
  • DOI: doi: 10.1038/s41467-018-04496-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Partial ablation of the orexin field induces a sub narcoleptic phenotype in a conditional mouse model of orexin neurodegeneration (2018)
  • 著者名/発表者名: Black SW,* Sun JD, Santiago P, Laihsu A, Kimura N, Yamanaka A, Bersot R, Humphries PS
  • 雑誌名: Sleep 巻: 41(9) ページ: -
  • DOI: 10.1093/sleep/zsy116
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Inactivation of Serotonergic Neurons in the Rostral Medullary Raphe attenuates Stress-induced Tachypnea and Tachycardia in Mice (2018)
  • 著者名/発表者名: Ikoma Y, Kusumoto-Yoshida I, Yamanaka A, Ootsuka Y, *Kuwaki T
  • 雑誌名: Front Physiol 巻: 9 ページ: 832
  • DOI: 10.3389/fphys.2018.00832
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Acute aversive stimuli rapidly increase the activity of ventral tegmental area dopamine neurons in awake mice. (2018)
  • 著者名/発表者名: *Moriya S, Yamashita A, Kawashima S, Nishi R, Yamanaka A, Kuwaki T
  • 雑誌名: Neuroscience 巻: 386 ページ: 16-23
  • DOI: 10.1016/j.neuroscience.2018.06.027
  • 査読あり
• [雑誌論文] Parallel arousal pathways in the lateral hypothalamus (2018)
  • 著者名/発表者名: Heiss JE,Yamanaka A, *Kilduff TS
  • 雑誌名: eNeuro 巻: 5(4) ページ: -
  • DOI: doi: 10.1523/ENEURO.0228-18.2018.
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Calcium Transient Dynamics of Neural Ensembles in the Primary Motor Cortex of Naturally Behaving Monkeys (2018)
  • 著者名/発表者名: Kondo T, Saito R, Otaka M, Yoshino-Saito K, Yamanaka A, Yamamori T, Watakabe A, Mizukami H, Schnitzer MJ, Tanaka KF, *Ushiba J, *Okano H
  • 雑誌名: Cell Rep 巻: 24(8) ページ: 2191-2195
  • DOI: doi: 10.1016/j.celrep.2018.07.057.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Opiates increase the number of hypocretin-producing cells in human and mouse brain and reverse cataplexy in a mouse model of narcolepsy. (2018)
  • 著者名/発表者名: Thannickal TC, John J, Shan L, Swaab DF, Wu MF, Ramanathan L, McGregor R, Chew KT, Cornford M, Yamanaka A, Inutsuka A, Fronczek R, Lammers GJ, Worley PF, *Siegel JM
  • 雑誌名: Sci Transl Med 巻: 10(447) ページ: -
  • DOI: doi: 10.1126/scitranslmed.aao4953.
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Neuronal SIRT1 regulates macronutrient-based diet selection through FGF21 and oxytocin signalling in mice (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsui S, Sasaki T, Kohno D, Yaku K, Inutsuka A, Yokota-Hashimoto H, Kikuchi O, Suga T, Kobayashi M, Yamanaka A, Harada A, Nakagawa T, Onaka T, Kitamura T.
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 9(1) ページ: 4604
  • DOI: doi: 10.1038/s41467-018-07033-z.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 睡眠覚醒調節と記憶の制御に関わる神経の活動記録と操作 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山中章弘
  • 学会等名: 平成30年度生命融合科学教育部シンポジウム 神経科学が解き明かす動物の行動：機能の変容と疾患
  • 招待講演
• [学会発表] 睡眠覚醒調節神経の機能的同定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山中章弘
  • 学会等名: 第92回日本薬理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Adeno-associated virus vector micro injection into mice brain to reveal function of neural circuitry involved in the regulation of sleep/wakefulness. (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamanaka A
  • 学会等名: FAOPS2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Regulation of sleep and memory (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamanaka A
  • 学会等名: 第10回光操作研究会・第2回脳情報動態合同国際シンポジウムJoint symposium of 10th Optogenetics Research Conference and Second International Symposium on Brain Information Dynamics 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dissociating orexin-dependent and -independent functions of orexin neurons using novel orexin-Flp knock-in mice (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamanaka A
  • 学会等名: 7th International Symposium on Narcolepsy
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sleep/wakefulness analysis of orexin and MCH neurons double ablated mice (2018)
  • 著者名/発表者名: Hung CJ, Ono D, Yamanaka A
  • 学会等名: 7th International Symposium on Narcolepsy
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Orexin and MCH neurons double ablation mice. Isolation of effect of orexin using orexin-Flippase mice. (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamanaka A
  • 学会等名: 7th International Symposium on Narcolepsy
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Neural activity manipulation and behavior control by using fiber-less optogenetics (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamanaka A
  • 学会等名: National University of Singapore, Department of Chemistry, Research Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Regulatory mechanism of sleep/wakefulness and memory by the hypothalamic neurons (2018)
  • 著者名/発表者名: 山中章弘
  • 学会等名: 島根大学セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 睡眠覚醒調節、痛み調節におけるオレキシンの役割 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山中章弘
  • 学会等名: 第12回日本緩和医療薬学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 睡眠覚醒調節におけるオレキシンの役割 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山中章弘
  • 学会等名: 第41回日本神経科学大会 ランチョンセミナー10
  • 招待講演
• [学会発表] Role of cholinergic neurons in the septum on the regulation of sleep and memory (2018)
  • 著者名/発表者名: 山中章弘、宮﨑杜夫
  • 学会等名: 第41回日本神経科学大会 シンポジウム： 神経修飾物質による脳状態制御： 先進的実験と計算論的アプローチを結ぶ
  • 招待講演
• [学会発表] アップコンバージョンを用いたファイバーレス光遺伝学の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 宮﨑杜夫、Chowdhury Srikanta、山下貴之、八尾 寛、湯浅英哉、山中章弘
  • 学会等名: 第56回日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Study of regulatory mechanism of sleep/wakefulness and memory by optogenetical neural activity manipulation (2018)
  • 著者名/発表者名: 山中章弘
  • 学会等名: 第91回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 内側中核アセチルコリン作動性神経による睡眠と記憶の制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山中章弘
  • 学会等名: 記憶研究会2018 記憶・学習の基盤機構と回路研究の新展開へのアプローチ
  • 招待講演
• [学会発表] 睡眠と記憶を制御する神経活動の操作と記録 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山中章弘
  • 学会等名: 第８回生理学研究所・名古屋大学医学系研究科合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 睡眠と記憶を制御する神経活動の操作と記録 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山中章弘
  • 学会等名: 星薬科大学セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] ファイバーレス光遺伝学を用いた睡眠覚醒と記憶制御のメカニズム解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山中章弘
  • 学会等名: 第三回ルミノジェネティクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 生活習慣病と睡眠覚醒とのただならぬ関係 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山中章弘
  • 学会等名: 第3回Cortin Conference
  • 招待講演
• [学会発表] 腹側被蓋野(VTA)のGABA作動性神経はノンレム睡眠を調節する (2018)
  • 著者名/発表者名: 山中章弘
  • 学会等名: 平成30年度脳研究所共同利用共同研究合同セミナー
  • 招待講演