触覚パターン時空間認知の神経回路機構の光遺伝学的研究

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25250001
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 八尾 寛 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (00144353)
• 研究分担者: 大原 慎也 東北大学, 生命科学研究科, 助教 (10570038) ; 住吉 晃 東北大学, 加齢医学研究所, 助教 (80612530)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 体性感覚 / 触覚 / バレル野 / 脳機能イメージング / fMRI / チャネルロドプシン / 光遺伝学 / オプトジェネティクス

研究実績の概要

ウィスカ床光刺激に対する応答を、反対側大脳皮質バレル野において計測したところ、青色光照射に同期したユニット活動(MUA)の上昇および局所フィールド電位(LFP)の変動を計測した。バレル野MUAは、反対側のウィスカ床の青色光照射に同期したバースト活動(Light-evoked burst, LEB)、LEBに引き続いた活動休止期、10-20Hzの頻度で繰り返すアフターバーストから構成されていた。また、LFPについては、光照射に同期したネガティブ応答とこれに引き続くスピンドル振動(10-20 Hz)が認められた。このような状態遷移応答は、ウィスカ光刺激の時間・空間的パターンに依存しており、知覚パターンの脳内表現の一種であると考えられる。このような実験系は、世界的に類例がなく、それぞれのウィスカを独立にパターン刺激する道が開かれた。これは、感覚生理学の分野において、時空間パターンの脳内表現の解明に至るマイルストーンである。さらに、PC上のプログラムで光源オン・オフパターンを作成し、16チャネルD/Aコンバーターを介して出力し、14個それぞれのチャネルのアウトプットをブースター回路により電流増幅し（うち2チャンネルを同期トリガーに用いる）、光源を駆動するOTP装置を開発した。すなわち，14個の光源が任意の独立した時系列パターンでオン・オフする。それぞれの光源からの光をプラスチックファイバー（φ, 0.75 mm）に導入した。W-TChR2V4ラットの片側のウィスカを剃り、それぞれのウィスカの付け根をファイバーに結合させた。また、これを用いたOptofMRI計測システムを最適化した。その結果、OTPに対応したBOLD信号の時空間パターンを得ることに成功した。これらの成果は、論文として報告した(Hojoh et al., 2014)。

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

本研究課題の遂行において、基盤となる実験システムを開発し、最適化することに成功した。本研究においては、ラットのウィスカに与えた時空間パターンの脳内表現を解明することを目的としている。本年度は、異なる時空間パターンをどこまで識別できるかを検証した。ウィスカ光刺激と報酬を関連付ける条件付け実験システムを構築し、ウィスカ光刺激直後5秒以内にリッキングすると報酬を得るGoタスクと、5秒間リッキングを抑制すると報酬を得るNo-goタスクを課した。ラットは、いずれのタスクもすみやかに学習した。また、2か所の光刺激にGoとNo-goを関連付けたところ、これらの場所の違いを識別した。また、Ca2+イメージングについては、（1）Ca2+感受性蛍光タンパク質R-CAMP1コンストラクトを組込んだAAVベクターの作製、（2）2光子顕微鏡を用いたイメージング技術の最適化、を達成した。

今後の研究の推進方策

平成26年度に引き続き、Ca2+イメージングを最適化する。電気生理学的計測、Ca2+イメージング、fMRIをOTPと組み合わせ、時空間パターの識別に関わる脳内表現を解明する。

研究成果

• [雑誌論文] Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump. (2015)
  • 著者名/発表者名: Kato, H. E., Inoue, K., Abe-Yoshizumi, R., Kato, Y., Ono, H., Konno, M., Ishizuka, T., Hoque, M. R., Hososhima, S., Kunitomo, H., Ito, J., Yoshizawa, S., Yamashita, K., Takemoto, M., Nishizawa, T., Taniguchi, R., Kogure, K., Maturana, A. D., Iino, Yuichi., Yawo, H., Ishitani, R., Kandori, H., Nureki, O.
  • 雑誌名: Nature 巻: 521 ページ: 48-53
  • DOI: 10.1038/nature14322
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optogenetic induction of contractile ability in immature C2C12 myotubes. (2015)
  • 著者名/発表者名: Asano T, Ishizuka T, Morishima K, Yawo H
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 5 ページ: 8317
  • DOI: 10.1038/srep08317
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Kinetic evaluation of photosensitivity in bi-stable variants of chimeric channelrhodopsins. (2015)
  • 著者名/発表者名: Hososhima S, Sakai S, Ishizuka T, Yawo H
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 10 ページ: e0119558
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0119558
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Chimeras of channelrhodopsin-1 and -2 from Chlamydomonas reinhardtii possess distinctive light-induced structural changes with less protonation change of a key glutamate residue for the gating behavior. (2015)
  • 著者名/発表者名: Inaguma A, Tsukamoto H, Kato HE, Kimura T, Ishizuka T, Yawo H, Nureki O, Furutani Y
  • 雑誌名: J Biol Chem 巻: Mar 21 ページ: －
  • DOI: jbc.M115.642256
  • 査読あり
• [雑誌論文] Near-infrared (NIR) optogenetics using up-conversion system. (2015)
  • 著者名/発表者名: Shoko Hososhima ; Hideya Yuasa ; Toru Ishizuka and Hiromu Yawo
  • 雑誌名: Proc. SPIE 巻: 9305 ページ: 93052R
  • DOI: 10.1117/12.2078875
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optogenetic patterning of whisker-barrel cortical system in transgenic rat expressing channelrhodopsin-2. (2014)
  • 著者名/発表者名: Honjoh T, Ji Z-G, Yokoyama Y, Sumiyoshi A, Shibuya Y, Matsuzaka Y, Kawashima R, Mushiake H, Ishizuka T, Yawo H
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 9 ページ: e93706
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0093706
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Regulation of later neurogenic stages of adult-derived neural stem/progenitor cells by L-type Ca2+ channels. (2014)
  • 著者名/発表者名: Teh DBL, Ishizuka T, Yawo H
  • 雑誌名: Develop Growth Differ 巻: 56 ページ: 583-594
  • DOI: 0.1111/dgd.12158
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photofunctional nanomodulators for bioexcitation. (2014)
  • 著者名/発表者名: Miyako E, Russier J, MauroM, Cebrian C, Yawo H, Menard-Moyon C, Hutchison JA, Yudasaka M, Iijima S, De Cola L, Bianco A
  • 雑誌名: Angew Chem Int Ed. 巻: 53 ページ: 13121-13125
  • DOI: 10.1002/anie.201407169
  • 査読あり
• [雑誌論文] オプトジェネティクスによる細胞機能の光操作． (2014)
  • 著者名/発表者名: 江川遼，八尾寛
  • 雑誌名: 細胞 巻: 46 ページ: 35-38
• [学会発表] チャネルロドプシン光電変換の特性と応用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 八尾寛
  • 学会等名: 理研シンポジウム「細胞システムの動態と論理 Ⅶ」
  • 発表場所: 和光市
  • 年月日: 2015-04-02 – 2015-04-03
  • 招待講演
• [学会発表] A new reporter rat line which express bright red fluorescent protein (tdTomato) conditionally under Cre-loxP system. (2015)
  • 著者名/発表者名: Igarashi H, Koizumi K, Kaneko R, Ikeda K, Onimaru H, Yanagawa Y, Muramatsu S-I, Ishizuka T, Yawo H
  • 学会等名: 第92回日本生理学会大会
  • 発表場所: 神戸
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [学会発表] Discrimination of optogenetic whisker pattern in channelrhodopsin-2 transgenic rat. (2015)
  • 著者名/発表者名: Abe K, Ishizuka T, Yawo H
  • 学会等名: 第92回日本生理学会大会
  • 発表場所: 神戸
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [学会発表] Opt-fMRI study of whisker-barrel cortical responses using channelrhodopsin-2 expressing rat. (2015)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama Y, Sumiyoshi A, Kawashima R, Yawo H
  • 学会等名: 第92回日本生理学会大会
  • 発表場所: 神戸
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [学会発表] チャネルロドプシンの分子ダイナミクス. (2015)
  • 著者名/発表者名: 八尾寛
  • 学会等名: 蛋白研セミナー「光運動反応・光センサー蛋白質・光遺伝学」
  • 発表場所: 吹田
  • 年月日: 2015-03-10 – 2015-03-11
  • 招待講演
• [学会発表] Near-infrared (NIR) optogenetics using up-conversion system. (2015)
  • 著者名/発表者名: Hososhima S, Yuasa H, Ishizuka T, Yawo H
  • 学会等名: SPIE Photonics West-Bios
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 2015-02-07 – 2015-02-12
• [学会発表] 光で生命機能に干渉する ～オプトジェネティクス（光遺伝学）の現況と展望～（チュートリアル）. (2014)
  • 著者名/発表者名: 八尾寛
  • 学会等名: 応用物理学会 量子エレクトロニクス研究会
  • 発表場所: 軽井沢
  • 年月日: 2014-12-19 – 2014-12-20
  • 招待講演
• [学会発表] 触覚時空間パターン脳内表現のオプトジェネティクス. (2014)
  • 著者名/発表者名: 八尾寛
  • 学会等名: 第35 回日本レーザー医学会総会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-11-29 – 2014-11-30
  • 招待講演
• [学会発表] ランタニドナノ粒子のアップコンバージョン効果を応用した生体の近赤外光操作. (2014)
  • 著者名/発表者名: 細島頌子, 湯浅英哉, 石塚徹, 八尾寛
  • 学会等名: 第36回日本バイオマテリアル学会大会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-11-17 – 2014-11-18
• [学会発表] Developmental connectomics of axonal reorganization in avian ciliary ganglion. (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Egawa, S. Hososhima, T. Ishizuka, H. Yawo
  • 学会等名: Neuroscience 2014
  • 発表場所: Washington DC, USA
  • 年月日: 2014-11-15 – 2014-11-19
• [学会発表] Evaluation of a novel reporter rat line which conditionally expresses red fluorescent protein (tdTomato). (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Igarashi, K. Koizumi, R. Kaneko, K. Ikeda, H. Onimaru, Y. Yanagawa, S.-I. Muramatsu, T. Ishizuka, H. Yawo
  • 学会等名: Neuroscience 2014
  • 発表場所: Washington DC, USA
  • 年月日: 2014-11-15 – 2014-11-19
• [学会発表] 感覚の遺伝子工学. (2014)
  • 著者名/発表者名: 八尾寛
  • 学会等名: 第５回感性センシング応用ロードマップ技術分科会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-11-04 – 2014-11-04
  • 招待講演
• [学会発表] Optogenetic patterning of touch perception -- sensing light by skin. (2014)
  • 著者名/発表者名: Yawo H. Yokoyama Y, Sumiyoshi A, Abe A, Koizumi K, Egawa R, Liu Y, Ohshiro T, Matsuzaka Y, Kawashima R, Mushiake H, Ishizuka T
  • 学会等名: The 16th International Conference on Retinal Proteins (ICRP2014)
  • 発表場所: Nagahama, Japan
  • 年月日: 2014-10-05 – 2014-10-10
  • 招待講演
• [学会発表] Bi-stable variants of chimeric channelrhodopsins - kinetics-dependent activation of neurons. (2014)
  • 著者名/発表者名: Hososhima S, Ishizuka T, Yawo H
  • 学会等名: The 16th International Conference on Retinal Proteins (ICRP2014)
  • 発表場所: Nagahama, Japan
  • 年月日: 2014-10-05 – 2014-10-10
• [学会発表] Light-induced membrane depolarization by two-component optogenetic. (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Zamani, T. Ishizuka, H. Yawo
  • 学会等名: The 16th International Conference on Retinal Proteins (ICRP2014)
  • 発表場所: Nagahama, Japan
  • 年月日: 2014-10-05 – 2014-10-10
• [学会発表] Functional MRI signal to optogenetic tactile pattern of channelrhodopsin-2 expressing rat in barrel cortex. (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Yokoyama, A. Sumiyoshi, R. Kawashima, H. Yawo
  • 学会等名: The 16th International Conference on Retinal Proteins (ICRP2014)
  • 発表場所: Nagahama, Japan
  • 年月日: 2014-10-05 – 2014-10-10
• [学会発表] 触覚パターンのオプトジェネティクス制御. (2014)
  • 著者名/発表者名: 八尾寛, 横山超一, 住吉晃, 阿部健太, 小泉協, 江川遼, 劉越人, 大城朝一, 松坂義哉, 川島隆太, 虫明元, 石塚徹
  • 学会等名: 第52回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 札幌
  • 年月日: 2014-09-25 – 2014-09-27
  • 招待講演
• [学会発表] 赤色蛍光タンパク質tdTomatoをCre-loxPコンディショナルに発現するレポーターラットの評価． (2014)
  • 著者名/発表者名: 五十嵐敬幸，小泉協，金子涼輔，池田啓子，鬼丸洋，柳川右千夫，村松 慎一，石塚 徹，八尾寛
  • 学会等名: 第37回日本神経科学大会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [学会発表] ニワトリ胚毛様体神経節の発達期におけるカスパーゼ6依存的なシナプスリモデリング． (2014)
  • 著者名/発表者名: 加藤秀理，江川遼，細島頌子，石塚徹，八尾寛
  • 学会等名: 第37回日本神経科学大会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [学会発表] ニワトリ胚毛様体神経節における軸索再編成の発達期コネクトミクス研究． (2014)
  • 著者名/発表者名: 江川遼，細島頌子，石塚徹，八尾寛
  • 学会等名: 第37回日本神経科学大会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [学会発表] オプトジェネティックスを用いた触覚パターンによるバレル野のfMRI応答． (2014)
  • 著者名/発表者名: 横山超一，住吉晃，川島隆太，八尾寛
  • 学会等名: 第37回日本神経科学大会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [学会発表] 八尾寛．光を触覚として感じるラット． (2014)
  • 著者名/発表者名: 八尾寛
  • 学会等名: 光操作研究会シンポジウム
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2014-08-21 – 2014-08-22
  • 招待講演
• [学会発表] Target-dependent direction of Muse cell differentiation -- a proposal of in vitro model system. (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Igarashi, T. Morita, T. Murakami, Y. Matsuzaki, A. Konno, T. Ishizuka, M. Dezawa, H. Yawo
  • 学会等名: 5th International Congress on Stem Cells and Tissue Formation
  • 発表場所: Dresden, Germany
  • 年月日: 2014-07-08 – 2014-07-11
• [学会発表] 発達期ニワトリ胚毛様体神経節で見られるプレシナプス刈り込みへのカスパーゼ6の関与． (2014)
  • 著者名/発表者名: 加藤秀理，江川遼，細島頌子，石塚徹，八尾寛
  • 学会等名: 第47回発生生物学会
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 2014-05-27 – 2014-05-30
• [学会発表] Rat-Based Systems for Basic and Clinical Optogenetics. (2014)
  • 著者名/発表者名: Yawo H.
  • 学会等名: Gordon Research Conference on Photosensory Receptors and Signal Transduction
  • 発表場所: Lucca (Barga), Italy
  • 年月日: 2014-04-06 – 2014-04-11
  • 招待講演
• [学会発表] The molecular determinants involved in the Gd3+-dependent channel block of channelrhodopsins. (2014)
  • 著者名/発表者名: Yawo H, Watanabe S, Ishizuka T
  • 学会等名: Gordon Research Conference on Photosensory Receptors and Signal Transduction
  • 発表場所: Lucca (Barga), Italy
  • 年月日: 2014-04-06 – 2014-04-11
• [図書] Optogenetics: Light-Sensing Proteins and Their Applications (2015)
  • 著者名/発表者名: Yawo H, Kandori H, Koizumi Eds.
  • 総ページ数: 512
  • 出版者: Springer, Tokyo
• [図書] Chaptor 8. General description: Future prospects of optogenetics. “Optogenetics: Light-Sensing Proteins and Their Applications” (2015)
  • 著者名/発表者名: Yawo, H., Egawa, R., Hososhima, S., Wen, L
  • 総ページ数: 22
  • 出版者: Springer, Tokyo
• [図書] Chaptor 21. Strategies to probe mechanoreception: from mechanical to optogenetic approaches. “Optogenetics: Light-Sensing Proteins and Their Applications” (2015)
  • 著者名/発表者名: Ji, Z.-G., Ishizuka, T., Yawo, H
  • 総ページ数: 10
  • 出版者: Springer, Tokyo
• [備考] 東北大学研究者紹介
  • URL: http://db.tohoku.ac.jp/whois/detail/0684d30b13c056e926b65120463918fb.html
• [備考] 東北大学大学院生命科学研究科
  • URL: http://www.lifesci.tohoku.ac.jp/
• [備考] 脳機能解析分野
  • URL: http://neuro.med.tohoku.ac.jp/
• [備考] 東北大学脳科学センター
  • URL: http://www.bsc.tohoku.ac.jp/contents/c2_32/c2_32_yao_h.html
• [備考] 東北大学プレスリリース
  • URL: http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2015/02/press20150205-01.html