視床下部-中隔核-海馬の多領域連関による睡眠覚醒状態依存的脳情報動態変化

2018 年度 実績報告書

• 研究領域: 脳情報動態を規定する多領野連関と並列処理
• 研究課題/領域番号: 18H05124
• 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 – 2020-03-31
• キーワード: 睡眠覚醒 / 視床下部 / メラニン凝集ホルモン / 海馬 / 中隔核

研究実績の概要

睡眠覚醒状態変化に伴い、脳の情報処理は大きく変動する。特に、覚醒状態からノンレム睡眠、ノンレム睡眠からレム睡眠へと状態変化する際に脳波レベルでも大きな変化が見られる。本研究では、睡眠覚醒状態変化時に視床下部ー中隔核ー海馬間の機能連関がどのように変化するのかについて明らかにすることを目的としている。既に視床下部のメラニン凝集ホルモン(MCH)産生神経が中隔核と海馬に密に投射していることを見いだしている。睡眠覚醒状態変化に応じたMCH神経の活動を記録するために、MCH神経特異的にカルシウムインジケータであるGCaMP6を発現させ、カルシウムシグナルを用いて活動記録を行った。光でMCH神経全体の活動を記録できるファイバーフォトメトリーを適用し、脳波筋電図と同時に記録したところ、MCH神経活動はレム睡眠中と覚醒中に高まることが明らかになった。さらに、単一細胞レベルでの活動を明らかにするために、超小型顕微鏡nVistaを用いてMCH神経の活動記録を行った。脳波筋電図と同時に神経活動を記録したところ、覚醒時に活動するMCH神経、レム睡眠時に活動するMCH神経、覚醒時とレム睡眠の両方で活動するMCH神経の３種類があることが分かった。３種類のMCH神経は視床下部にランダムに存在しており、レム睡眠中に活動するMCH神経が比較的多いことも明らかとなった。これら３種類のMCH神経の睡眠覚醒調節における機能について、睡眠覚醒状態依存的光遺伝学による抑制を用いて検討を行った。

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

MCH神経の活動が、睡眠覚醒状態変化に伴いどのように変化するのかについてファイバーフォトメトリーと脳波筋電図を用いた記録によって検討したところ、覚醒時とレム睡眠時の両方で活動することを明らかにした。さらに、単一細胞レベルでの活動について、超小型顕微鏡nVistaを用いて記録したところ、MCH神経には覚醒時に主に活動する神経、レム睡眠時に活動する神経、覚醒時とレム睡眠時の両方で活動する神経の３種類あることを突き止めた。これらの結果は、MCH神経が摂食行動や睡眠覚醒という異なる生理機能に関わっているというこれまでの研究を支持する結果であり、今後３種類の生理的役割の解明によって、さらに詳細に理解が進むものと思われる。

今後の研究の推進方策

超小型顕微鏡nVistaを用いて記録したところ、MCH神経には覚醒時に主に活動する神経、レム睡眠時に活動する神経、覚醒時とレム睡眠時の両方で活動する神経の３種類あることを突き止めた。今後は、睡眠覚醒状態依存的光遺伝学による抑制によって、それぞれの神経がどのような生理機能を担っているのかについて明らかにしていく。また、中隔核と海馬においてMCH神経活動が変化したときに神経活動がどのように変化するのかについても、電気生理学的解析を用いて明らかにしていく。

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