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本研究課題は、大脳皮質でのシナプス可塑性を単一シナプスレベルで、非侵襲かつ限りなく生理的条件に近い状態で明らかにすることを目的とする。これまで、独自に開発した2重2光子励起顕微鏡を用いて、海馬CA1錐体細胞の単一スパインに、2光子励起によるケイジドグルタミン酸の活性化を頻回して行い、刺激したスパインに限局した頭部増大の持続とAMPA受容体反応増強が起こることを見出した。さらに、シナプス後細胞に電流注入をすることで活動電位を誘発し、これとスパインへの2光子励起グルタミン酸刺激を同期させると、タンパク質合成依存的な単一スパインでのLTP(STDP)が起こることを見出した。しかしこの方法では、シナプス後細胞にホ-ルセルパッチというへ物理的侵襲を行っているため、細胞内環境は生理的であるとはいい難い。そこで細胞に電極をあてることなく、光を使ってシナプス後細胞の活動電位を誘発し、これと単一スパインに対する2光子刺激を組み合わせる系を開発した。具体的には、2光子励起ケイジドグルタミン酸の活性化領域を大きくし、一度に細胞体上の多数のグルタミン酸受容体を活性化させることで、活動電位を誘発させた。また、光活性化能をもつチャネルロドプシン2(chR2)というカチオンチャネルを細胞に発現させ、これを1光子励起することによって活動電位を誘発することもできるようになった。これと単一スパインへの刺激を組み合わせることで、刺激したスパイン特異的にスパイン頭部増大を誘発することができ、これが長期に持続することを見出した。また、生理的条件では、シナプスでのグルタミン酸刺激はシナプス前終末からのグルタミン酸放出による。これを光刺激で実現するために、ChR2をシナプス前細胞に発現させ、これを1光子励起することによって、シナプス電流・シナプス電位を計測できるようになった。これとシナプス後細胞の活動電位誘発を同期させることによって、シナプス可塑性を誘発できるようになってきた。
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