| 研究課題/領域番号 |
21J22046
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
鹿島 哲彦 東京大学, 薬学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| キーワード | Hebb則 / 同期発火 / 可塑性 / 方位選択性 |
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| 研究実績の概要 |
1949年に提唱された「同期発火した神経細胞同士は結合する」というHebb則は神経回路研究において重要な仮説であるが、実はいまだに直接的な証明を行った知見は存在しない。その原因として、慢性的に同期発火を誘導することが困難であること、結合を確認する手法の技術的障壁が大きいこと、が挙げられる。申請者は新たな同期発火誘導手法の確立・複数細胞同時パッチクランプ技術の習得によりこの問題を解決し、Hebb則の証明に取り組んできた。
本研究ではマウス体性感覚皮質において生後9-13日に毎日1時間の同期発火誘導を行った個体において、合計3000ペア以上もの細胞間の記録を経て、3週齢で同期発火細胞間の結合確率が増加していることを見出した。さらに、結合の電気生理学的特性を解析したところ、通常個体に存在している結合と有意な差が見られなかったことから、生体内で生理的機能を担う可能性が示唆された。また、記録細胞の形態を可視化することでそれぞれの細胞の樹状突起複雑性とスパインの解析を行った。その結果、樹状突起複雑性に有意な差は見られなかったものの、同期発火誘導により一部のスパインサイズの増大が認められ、結合の増加をミクロスケールでも裏付けることが出来た。
次に、同様の実験を同じ一次感覚皮質である視覚皮質で行うにあたり、光遺伝学とラスタースキャニングシステムを組み合わせ、よりハイスループットな結合を確認する実験系を確立した。その手法を用い、視覚皮質においても同期発火誘導細胞間の結合確率が増大することを示した。すなわち、Hebb則は特定の脳領域でのみ成り立つ限定的な機構ではなく、新皮質一般で成立する普遍的な規則であることが明らかとなった。
本研究は70年以上未証明であったHebb則に直接的に切り込んだ点で意義深い。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
「同期発火した神経細胞同士は結合する」というHebb則は70年以上仮説のままであり、その重要性にも関わらず直接的な証明を行った知見が存在しなかった。この仮説を証明するにあたり、同期発火誘導手法の確立・神経細胞間の結合の有無を判断する手法の習得、の2点が必要である。
同期発火誘導手法は申請時に既に確立していたが、複数細胞同時パッチクランプ記録は習得に時間を要する技術であり、同期発火を誘導した細胞間の結合の定量には1年程度かかる見込みであった。申請者は現段階ですでに体性感覚皮質において3000ペア以上の結合を記録することに成功し、同期発火が神経細胞同士の結合を増加させることの証明に成功した。同時に、これに代わるハイスループットな結合確認系を確立し、今後そのメカニズムを検証するにあたり、様々な条件を検討する土台が整っている。
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| 今後の研究の推進方策 |
結合している細胞は同様の機能を担うことが示唆されており、特に視覚皮質においては個体が見ている線分の向きに応答して活動する細胞が存在するが、結合している細胞は同じ向きの線分に応答することが報告されてきた。申請者は人為的に神経細胞間に結合を形成する手法を確立することに成功したため、この手法を用いて神経細胞間の結合とその機能の因果関係を示すことに挑戦する。具体的には、同期発火誘導によって結合形成を促した個体の感覚皮質にアデノ随伴ウイルスを用いてカルシウムセンサーであるGCaMP6sを発現させ、同期発火誘導細胞の応答する線分の向きを解析する。また、同期発火を誘導した細胞の中にも結合を形成した細胞集団とそうでない細胞集団などいくつかのサブポピュレーションが存在することを仮定し、自発活動からそれらのクラスターを分離できるかどうかにも挑戦する。
in vivoでカルシウム応答を記録する技術は実験手技、データ解析ともに難易度の高い手法であるため、その分野に明るい研究者との交流を通じて問題解決を図る予定である。
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