大脳スパイン形態可塑性からシナプスメカノバイオロジーの建設と光操作

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H05685
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 河西 春郎 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (60224375)
• 研究分担者: 柳下 祥 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 講師 (50721940) ; UCAR HASAN 東京大学, ニューロインテリジェンス国際研究機構, 特任研究員 (50748423)
• 研究期間 (年度): 2020-08-31 – 2025-03-31
• キーワード: シナプス / 学習 / 神経回路

研究実績の概要

初年度は９月始まりとなった。
１）　研究計画の中心課題である、スパイン増大による軸索終末の圧迫効果に付いて、専門誌に投稿し改訂指示を受けた。このスライス実験は、単一シナプスの前部と後部の別々に刺激し、その機能を別々に測定する難度が高いので、追加実験で指摘された事項は更にその中でも難度の高いことを数をこなす様に要求された。圧効果が組織を押しているのでないこと、シナプス結合がある場合だけ押す効果が出ること、温度を31度に上る、終末の放出確率の変化を頭部増大が起きる前と後で測ることの場合の数を増やすなど、知見が大きく進むわけでないが、採択のために、辛抱強く実験数を増やしている。
２）　圧効果を単離培養標本で、iGluSnFRの誘発放出効果、SNAREのFRET効果は再現することに成功している。単離標本では、100nmという微小距離を押すのにはマニピュレータを選別する必要があることがわかった。また、STED顕微鏡でこの標本を観察するのに適切な膜色素、Halotag/Sara650をVAMP2などについて標識し、高解像度でイメージングできる条件を求めた。
３）　シナプスプローブについては単離細胞を用いた特徴づけを進めた結果、3'UTRを選別することで著しく発現強度を上げる方法や、スパイン標識を定量化する新手法を開発するなど、改良の準備を進めた。また、化学遺伝学的な手法で、スパインを増大、収縮両方させる技術を見出しつつある。

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

この研究は、シナプスのメカニカルな結合を問題にする、新し課題であり、その報告には人々を説得させる手間がかかるのはやむを得ない。論文については、受理の方向で、追加実験となったので、順調と言える。また、その先の研究のためには技術を一つ一つ構築していく必要があるが、単離培養細胞の圧負荷とか、単一終末放出測定。、STED画像取得などに成功している。プローブの開発でも、低いプラスミッド量で発現を著しく増す方法を発見するなど、今後の発展の基礎となる知見を得た。

今後の研究の推進方策

順調に進んでいるが、条件だしが大変な実験群なので、落ち着いて一つ一つ進めていく。若手が活躍しリクルートできる環境作りが大事である。

研究成果

• [雑誌論文] Dopamine D2 receptors in discrimination learning and spine enlargement (2020)
  • 著者名/発表者名: Iino Yusuke、Sawada Takeshi、Yamaguchi Kenji、Tajiri Mio、Ishii Shin、Kasai Haruo、Yagishita Sho
  • 雑誌名: Nature 巻: 579 ページ: 555～560
  • DOI: 10.1038/s41586-020-2115-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dual-Component Structural Plasticity Mediated by αCaMKII Autophosphorylation on Basal Dendrites of Cortical Layer 2/3 Neurones (2020)
  • 著者名/発表者名: Seaton Gillian、Hodges Gladys、de Haan Annelies、Grewal Aneesha、Pandey Anurag、Kasai Haruo、Fox Kevin
  • 雑誌名: The Journal of Neuroscience 巻: 40 ページ: 2228～2245
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.2297-19.2020
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mu-net: Multi-scale U-net for two-photon microscopy image denoising and restoration (2020)
  • 著者名/発表者名: Lee Sehyung、Negishi Makiko、Urakubo Hidetoshi、Kasai Haruo、Ishii Shin
  • 雑誌名: Neural Networks 巻: 125 ページ: 92～103
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2020.01.026
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generative and discriminative model-based approaches to microscopic image restoration and segmentation (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishii Shin、Lee Sehyung、Urakubo Hidetoshi、Kume Hideaki、Kasai Haruo
  • 雑誌名: Microscopy 巻: 69 ページ: 79～91
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfaa007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Melanophilin Accelerates Insulin Granule Fusion without Predocking to the Plasma Membrane (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Hao、Mizuno Kouichi、Takahashi Noriko、Kobayashi Eri、Shirakawa Jun、Terauchi Yasuo、Kasai Haruo、Okunishi Katsuhide、Izumi Tetsuro
  • 雑誌名: Diabetes 巻: 69 ページ: 2655～2666
  • DOI: 10.2337/db20-0069
  • 査読あり
• [学会発表] Spine dynamics, mental disorders and artificial intelligence (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Kasai
  • 学会等名: Science Salon of IRCN (Zoom)
• [学会発表] Potentiation of presynaptic functions by mechanosensing the spine enlargement in rat hippocampus. (2020)
  • 著者名/発表者名: Ucar, H., Watanabe, S., Noguchi, J., Yagishita, S., , Morimoto, Y., Takahashi, N., Kasai, H.
  • 学会等名: FENS (Glasgow online).
  • 国際学会
• [学会発表] Intrinsic dynamics of dendritic spines. (2020)
  • 著者名/発表者名: Okazaki, H. & Kasai, H.
  • 学会等名: Annual meeting of Japanese Neuroscience Society 2020
• [備考] 東京大学医学部 構造生理学
  • URL: https://www.bm2.m.u-tokyo.ac.jp/