樹状突起における情報処理ダイナミクスの解析

2013 年度 実績報告書

• 研究領域: メゾスコピック神経回路から探る脳の情報処理基盤
• 研究課題/領域番号: 25115701
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 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)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: チャネルロドプシン / 光遺伝学 / オプトジェネティクス / 局所回路 / トランスジェニック / Ca2+ / 光刺激

研究概要

平成25年度は、歯状回門部にある苔状細胞(mossy cell, MC)樹状突起において、歯状回顆粒細胞(DG)入力の重み情報処理がNMDA受容体を介したメカニズムによりダイナミックに制御されているという仮説を検証することを目的とした。DGの入力重みとMC応答の量的関係を解明するにあたり、細胞内Ca2+濃度計測システムを構築した。その結果、当該新学術領域間の共同研究を推進しながら、以下の４条件をクリアする必要が明らかになった。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 ChR2発現トランスジェニックラット海馬におけるR-CAMP1の発現、3 高速共焦点顕微鏡下におけるR-CAMP1蛍光イメージング、4 共焦点イメージングしながらChR2発現ニューロンを多点並列的に光刺激する装置。平成26年度は、これら4条件を最適化する。
これと並行して、ChR2発現トランスジェニックラットにおいて、頬ひげ（ウィスカ）毛根部に入力している機械受容ニューロンにChR2が発現していることを見出した。また、ウィスカ毛根部に青色光を短時間照射することにより、大脳皮質一次感覚野（バレル野）の局所回路において、繰り返し生ずるバースト活動を見出した。

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

海馬スライスの多数の神経細胞Ca2+動態を高速イメージングしながら、神経細胞を多点並列的に光刺激することは、世界に先駆けた挑戦である。しかし、平成25年度の研究において、解決すべき課題を明らかにし、すでに着手している。また、本新学術領域内共同研究を推進している。

今後の研究の推進方策

海馬スライスの多数の神経細胞Ca2+動態を高速イメージングしながら、神経細胞を多点並列的に光刺激する方法について、最適化する。このシステムを用いて、光刺激されたDG細胞の数とMC細胞バースト活動の関係の定量解析を行い、NMDA受容体の関与を検証する。この関係は非線形であるが、NMDA受容体をブロックすることにより、線形になると予測している。

研究成果

• [雑誌論文] Optogenetic stimulation of the auditory pathway. (2014)
  • 著者名/発表者名: Hernandez VH, Gehrt A, Reuter K, Jing Z, Jeschke M, Mendoza Schulz A, Hoch G, Bartels M, Vogt G, Garnham CW, Hiromu Yawo H, Fukazawa Y, Augustine GJ, Bamberg E, Kügler S, Salditt T, de Hoz L, Strenzke N, Moser T
  • 雑誌名: J Clin Invest 巻: 124 ページ: 1114-1129
  • DOI: 10.1172/JCI69050
  • 査読あり
• [雑誌論文] 光遺伝学に有用なツール開発：分子、遺伝子導入、光照射の実際. (2014)
  • 著者名/発表者名: 八尾 寛、江川 遼
  • 雑誌名: 細胞工学 巻: 33 ページ: 243-248
• [雑誌論文] Optogenetically induced seizure and the longitudinal hippocampal network dynamics. (2013)
  • 著者名/発表者名: Osawa S, Iwasaki M, Hosaka R, Matsuzaka Y, Tomita H, Ishizuka T, Sugano E,Okumura E, Yawo H, Nakasato N, Tominaga T, Mushiake H
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 8 ページ: e60928
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0060928
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hindbrain V2a neurons in the excitation of spinal locomotor circuits during zebrafish swimming. (2013)
  • 著者名/発表者名: Kimura Y, Satou C, Fujioka S, Shoji W, Umeda K, Ishizuka T, Yawo H, Higashijima S
  • 雑誌名: Curr Biol 巻: 23 ページ: 843-849
  • DOI: 10.1016/j.cub.2013.03.066
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optogenetic manipulation of neural and non-neural functions. (2013)
  • 著者名/発表者名: Yawo H, Asano T, Sakai S, Ishizuka T
  • 雑誌名: Dev Growth Differ 巻: 55 ページ: 474-490
  • DOI: 10.1111/dgd.12053
  • 査読あり
• [雑誌論文] オプトジェネティクスを用いたin vivoラット脳の双方向性プロービング． (2013)
  • 著者名/発表者名: 本城達也，八尾 寛
  • 雑誌名: 実験医学 巻: 31 ページ: 927-933
• [学会発表] Optogenetic Patterning of Somatosensory Perception (2014)
  • 著者名/発表者名: Yawo H
  • 学会等名: "International Institute for Advanced Studies" Conference
  • 発表場所: 木津川市
  • 年月日: 20140227-20140228
  • 招待講演
• [学会発表] オプトジェネティクスを利用したラットウィスカ光刺激パターニング (2013)
  • 著者名/発表者名: 八尾 寛、本城達也、姫 志剛、横山超一、石塚 徹
  • 学会等名: 生理研シナプス研究会「シナプス・神経ネットワークの機能ダイナミクス」
  • 発表場所: 岡崎
  • 年月日: 20131212-20131213
• [学会発表] 光遺伝学的に誘起された杯状シナプス前終末小胞体ストアからのCa2+放出 (2013)
  • 著者名/発表者名: 江川遼、細島頌子、加藤秀理、石塚徹、八尾寛
  • 学会等名: 第45回東北生理談話会
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 20131005-20131005
• [学会発表] Optogenetic patterning of whisker-barrel tactile perception (2013)
  • 著者名/発表者名: Yawo H
  • 学会等名: A symposium organized by the WCI Center for Functional Connectomics “lluminating brain function: New tools and new applications”
  • 発表場所: Seoul, 韓国
  • 年月日: 20130930-20130930
  • 招待講演
• [学会発表] The molecular determinants involved in ion flux regulation of channelrhodopsins (2013)
  • 著者名/発表者名: Yawo H
  • 学会等名: International Symposium Optogenetics 2013
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 20130926-20130927
• [学会発表] Optogenetic delivery of touch sense into peripheral and central nervous systems (2013)
  • 著者名/発表者名: Yawo H
  • 学会等名: IUPS2013
  • 発表場所: Birmingham, イギリス
  • 年月日: 20130721-20130726
  • 招待講演
• [学会発表] Optogenetic manipulation of presynaptic activity in the ciliary ganglion during embryogenesis of the chick (2013)
  • 著者名/発表者名: Shoko Hososhima, Toru lshizuka, Hiromu Yawo
  • 学会等名: IUPS 2013
  • 発表場所: Birmingham, イギリス
  • 年月日: 20130721-20130726
• [学会発表] A DMD-based multicolor irradiation system for the optogenetic analysis of neural circuits (2013)
  • 著者名/発表者名: Seiichiro Sakai, Takaaki Mishima, Toru lshizuka, Hiromu Yawo
  • 学会等名: IUPS 2013
  • 発表場所: Birmingham, イギリス
  • 年月日: 20130721-20130726
• [学会発表] Whisker photostimulation evokes barrel cortical response of ChR2 transgenic rat (2013)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Honjoh, Akira Sumiyoshi, Yukinobu Yokoyama, Zhi-Gang Ji, Toru lshizuka, Ryuta Kawashima, Hiromu Yawo
  • 学会等名: IUPS 2013
  • 発表場所: Birmingham, イギリス
  • 年月日: 20130721-20130726
• [学会発表] Involvement of caspases in the synaptogenesis of chick ciliary ganglion (2013)
  • 著者名/発表者名: Hidetaka Katow, Ryo Egawa, Shoko Hososhima, Toru lshizuka, Hiromu Yawo
  • 学会等名: IUPS 2013
  • 発表場所: Birmingham, イギリス
  • 年月日: 20130721-20130726
• [学会発表] Optogenetically-evoked Ca2+ release from intracellular store in the calyx-type presynaptic terminal of the embryonic chick ciliary ganglion (2013)
  • 著者名/発表者名: Ryo Egawa, Shoko Hososhima, Hidetaka Katow, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo
  • 学会等名: IUPS 2013
  • 発表場所: Birmingham, イギリス
  • 年月日: 20130721-20130726
• [学会発表] 歯状回門苔状細胞のバースト活動を光で誘導する (2013)
  • 著者名/発表者名: 三嶋孝知、八尾 寛、石塚徹
  • 学会等名: 第36回日本神経科学大会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 20130620-20130626
• [学会発表] ニワトリ胚毛様体神経節杯状シナプス前終末における光遺伝学的操作・計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 江川遼、細島頌子、侯旭濱、加藤秀理、石塚徹、仲村春和、八尾 寛
  • 学会等名: 第36回日本神経科学大会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 20130620-20130626
• [学会発表] ウイスカ光触覚刺激に対するパレル野の応答解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 本城達也、住吉晃、横山超一、姫志剛、川島隆太、八尾 寛
  • 学会等名: 第36回日本神経科学大会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 20130620-20130626
• [学会発表] Light-Evoked Touch Sense with Channelrhodopsin-Optogenetics (2013)
  • 著者名/発表者名: Yawo H
  • 学会等名: NIH-Tohoku University-JSPS Symposium
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 20130509-20130511
  • 招待講演
• [図書] オプトジェネティクス―光工学と遺伝学による行動制御技術の最前線 (2013)
  • 著者名/発表者名: 八尾 寛、他
  • 総ページ数: 12(95-106)
  • 出版者: エヌ・ティー・エス
• [図書] Optogenetics (2013)
  • 著者名/発表者名: Oertner TG, Helmchen F, de Lecea L, Beck H, Konnerth A, Kaupp B, Knpfel T, Yawo H, Musser M
  • 総ページ数: 18(109-126)
  • 出版者: De Gruyter, Berlin
• [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/