グリアアセンブリによるシナプスリモデリングの制御機構

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Glial assembly: a new regulatory machinery of brain function and disorders
• Project/Area Number: 25117006
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 岡部 繁男 東京大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (60204012)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 橋本 浩一 広島大学, その他の研究科, 教授 (00303272)
• Project Period (FY): 2013-06-28 – 2018-03-31
• Keywords: グリア / シナプス刈り込み / 神経回路発達 / イメージング

Outline of Annual Research Achievements

生後発達早期のマウス大脳皮質の感覚野と小脳皮質を扱い、技術的には二光子顕微鏡法と電気生理学的手法を用いたシナプスリモデリングの評価を行った。平成27年度には大脳皮質では脳透明化手法を用いた複数のグリア細胞種の空間配置の解析を実施し、また電子顕微鏡によるグリアとシナプスの相互関係の定量を実施した。また小脳においてはミクログリア欠損が刈り込みに与える影響についてさらに解析を推し進めた。
（1）大脳皮質：二光子顕微鏡による体性感覚野のイメージングと脳透明化手法であるCLARITYを組み合わせた解析を前年度に引き続き行った。脳の透明化手法によりミクログリアの占有体積を前年度に計測できたので、今年度はアストログリアの空間配置について検討した。アストログリアの大脳皮質内での占有体積はミクログリアよりも小さいが、ミクログリアと同様にその配置は相互に排他的であった。両者の相互関係についてはこのような排他性が存在せず、両者は皮質内でほぼランダムに存在しているというモデルで説明が可能である。以上の結果は大脳皮質内がミクログリアとアストログリアの配置により二種類の細胞の影響の異なる複数の領域に分割されることを示唆する。また電子顕微鏡によるアストログリアとシナプスの接触の解析については生後早期と成熟期における比較を終了し、アストログリアの体積増加によるシナプスとの物理的接触の増加によって二つの時期のアストログリアによるシナプス接触率の増大が説明できることを示した。
（2）小脳皮質：生後発達期小脳にクロドロン酸内包リポソームの局所注入を用いてミクログリアを除去する実験を行った処、登上線維刈り込みの障害が起こることがわかった。さらに、よりミクログリア特異的な実験操作を目的として作成を進めていたCSF1rミクログリア特異的欠損マウスの作出に成功し、予備実験から登上線維の刈り込みの異常を示す所見が得られた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成27年度までの研究により、大脳皮質、小脳皮質のいずれの部位においてもグリア細胞、特にミクログリアのシナプスリモデリングに与える影響に着目して研究が進められ、興味深いデータが得られつつある。これまでの研究の達成度はほぼ予定通りであると考えている。平成28年度は更にシナプスの形成・除去に対するミクログリアの役割という観点から個体レベルの研究および分子機構の解明について推進する。
（１）大脳皮質：前年度までの研究により、a）生後2-3週の体性感覚野でのシナプスの形成・除去に対するミクログリアの影響のイメージングによる評価、b) 複数の自閉症モデル動物における大脳皮質シナプスの形成・除去の亢進、c) 二光子顕微鏡によるシナプスの個体レベルでのイメージングと脳透明化手法CLARITYを組み合わせる事によるミクログリア・アストログリアとシナプスの関係性についての新しい評価方法の確立　という三つの項目について着実な成果が得られている。28年度は更に大脳皮質内の複数のグリア細胞種がシナプスへの影響を制御する分子シグナルについての研究を継続する。
（２）小脳皮質： 昨年度までのミノサイクリン投与実験、クロドロン酸内包リポソーム投与実験の結果は、共通してミクログリアがシナプス刈り込みに機能的に関与していることを示唆する結果となった。複数の異なる実験アプローチから同様な結果が得られたことにより、ミクログリアのシナプス刈り込みへの関与をより確実なものとして確認することを得た。また昨年度は、上記実験には薬剤の特異性や投与方法に問題があったため、よりミクログリア特異的な実験操作を目指して作出を進めていたCsf1rミクログリア特異的欠損マウスの作出にも成功した。よってほぼ計画通りに研究は進行していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

上記の様に、ほぼ計画通りに大脳皮質および小脳皮質での研究が進展している事から、平成28年度は、特に以下の2項目に重点を置いて研究を行う
（１）大脳皮質：これまでに、生後発達期での選択的なシナプスの保持と除去の進行についての基本的データを取得し、自閉症モデル動物との比較も終了した。二光子顕微鏡によるシナプスの個体レベルでのイメージングと脳透明化手法CLARITYを組み合わせた実験については28年度も継続して実施し、複数のグリア細胞の配置によって大脳皮質内が異なったドメインに分割され、そのドメイン内のシナプスが異なった制御を受けている可能性を検討する。更に本年度は27年度にデータ取得を終えた電子顕微鏡によるグリア突起とシナプスの関係性についての網羅的解析を元にして、二光子シナプスイメージングを行ったサンプルについて同じシナプスを電子顕微鏡により解析してシナプス動態とグリア接触の関係性を明らかにする事を試みる。
（２）小脳皮質：本年度は、昨年度までの解析により作出したCsf1rミクログリア特異的欠損マウスの解析を中心に行う予定である。シナプス刈り込み障害の所見は得られたので、さらに生後発達過程を詳細に解析し、発達時期特異性について明らかにする。また、登上線維の刈り込みに影響を与える平行線維シナプス・抑制性シナプスの形態やシナプス伝達の特性を解析し、ミクログリア特異的な刈り込みの機序について解析を推し進める。また、組み換えマウスにおけるアストロサイトやオリゴデンドロサイトの染色実験を通じて形態や発達に与える影響について解析し、グリアアセンブリがシナプス刈り込みに与える影響についても解析する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Fast 3D visualization of endogenous brain signals with high-sensitivity laser scanning photothermal microscopy. (2016)
  • Author(s): Miyazaki, J., Tadatsune, I., Tanaka, S., Hayashi-Takagi, A.,,Kasai, H., Okabe, S., and T. Kobayashi
  • Journal Title: Biomedical Optics Express Volume: 7 Pages: 1702-1710
  • DOI: 10.1364/BOE.7.001702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temporal Changes in the response of SVZ neural stem cells to intraventricular administration of growth factors. (2016)
  • Author(s): Ochi, T., Nakatomi, H., Ito, A., Okabe, S. and N. Saito.
  • Journal Title: Brain Research Volume: 1636 Pages: 119-129
  • DOI: 10.1016/j.brainres.2016.01.046
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High affinity receptor labeling based on basic leucine zipper domain peptides conjugated with pH-sensitive fluorescent dye: visualization of AMPA type glutamate receptor endocytosis in living neurons. (2016)
  • Author(s): Hayashi, A., Asanuma, D., Kamiya, M., Urano, U. and S. Okabe.
  • Journal Title: Neuropharmacology Volume: 100 Pages: 66-75
  • DOI: 10.1016/j.neuropharm.2015.07.026
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Territories of heterologous inputs onto Purkinje cell dendrites are segregated by mGluR1-dependent parallel fiber synapse elimination. (2016)
  • Author(s): Ichikawa, R., Hashimoto, K., Miyazaki, T., Uchigashima, M., Yamasaki, M., Aiba, A., Kano, M., Watanabe, M.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: 113 Pages: 2282-2287
  • DOI: 10.1073/pnas.1511513113
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Neuroprotection by JM-1232(-) against oxygen-glucose deprivation-induced injury in rat hippocampal slice culture. (2015)
  • Author(s): Ogura, T., Hamada, T., Matsui, T., Tanaka, S., Okabe, S., Kazama, T., and Y. Kobayashi
  • Journal Title: Brain Research Volume: 1594 Pages: 52-60
  • DOI: 10.1016/j.brainres.2014.10.038.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Upregulation of HP1γ expression during neuronal maturation promotes axonal and dendritic development in mouse embryonic neocortex. (2015)
  • Author(s): Oshiro, H., Hirabayashi, Y., Koretune, H., Nakao, K., Aizawa, S., Okabe, S. and Y. Gotoh
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 20 Pages: 108-120
  • DOI: 10.1111/gtc.12205.
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fluorescent ratiometric pH indicator SypHer2: applications in neuroscience and regenerative biology. (2015)
  • Author(s): Matlashov M. V., Bogdanova Y. A., Mishina N. M., Ermakova Y. G., Nikitin E. S., Balaban P. M., Okabe S., Lukyanov S., Enikolopov G., Zaraisky A. G., and Belousov VV.
  • Journal Title: BBA-General Subjects Volume: 1850 Pages: 2318-2328
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2015.08.002.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A mutation in the low voltage-gated calcium channel CACNA1G alters the physiological properties of the channel, causing spinocerebellar ataxia. (2015)
  • Author(s): Morino, H., Matsuda, Y., Muguruma, K., Miyamoto, R., Ohsawa, R., Ohtake, T., Otobe, R., Watanabe, M., Maruyama, H., Hashimoto, K., Kawakami, H.
  • Journal Title: Molecular Brain Volume: 8 Pages: 89
  • DOI: 10.1186/s13041-015-0180-4.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A CDC42EP4/septin-based perisynaptic glial scaffold facilitates glutamate clearance. (2015)
  • Author(s): Ageta-Ishihara, N., Yamazaki, M., Konno, K., Nakayama, H., Abe, M., Hashimoto, K., Nishioka, T., Kaibuchi, K., Hattori, S., Miyakawa, T., Tanaka, K., Huda, F., Hirai, H., Hashimoto, K., Watanabe, M., Sakimura, K., Kinoshita, M.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 6 Pages: 10090
  • DOI: 10.1038/ncomms10090.
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Imaging technologies for the understanding of synapse development and dysfunction. (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: US-Japan Brain Workshop
  • Place of Presentation: AMED本部 (東京都千代田区）
  • Year and Date: 2016-03-30 – 2016-03-30
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Analysis of spine structure and stability by two-photon in vivo imaging (2016)
  • Author(s): 田中 慎二、岡部 繁男
  • Organizer: 第121回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Place of Presentation: ビックパレット福島（福島県郡山市）
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-30
• [Presentation] Raster image correlation spectroscopy inside dendritic spines of cultured hippocampal neuron (2016)
  • Author(s): 小橋 一喜、岡部 繁男
  • Organizer: 第121回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Place of Presentation: ビックパレット福島（福島県郡山市）
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-30
• [Presentation] Molecular characterization of ACF7,an actin-microtubule crosslinking protein, in excitatory synapses (2016)
  • Author(s): 柏木 有太郎、岡部 繁男
  • Organizer: 第121回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Place of Presentation: ビックパレット福島（福島県郡山市）
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-30
• [Presentation] Three-dimensional immunostaining of glia in transparent brain (2016)
  • Author(s): 飯田 忠恒、田中 慎二、岡部 繁男
  • Organizer: 第121回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Place of Presentation: ビックパレット福島（福島県郡山市）
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-30
• [Presentation] Three-dimensional imaging of the whole intact cochlear by optical clearing methods (2016)
  • Author(s): 浦田 真次、飯田 忠恒、田中 慎二、藤本 千里、樫尾 明憲、松本 有、吉川 弥生、岩崎 広英、山岨 達也、岡部 繁男
  • Organizer: 第121回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Place of Presentation: ビックパレット福島（福島県郡山市）
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-30
• [Presentation] Development of techniques for correlated imaging of in vivo two-photon microscopy and electron microscopy (2016)
  • Author(s): 岩崎 広英、田中 慎二、岡部 繁男
  • Organizer: 第121回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Place of Presentation: ビックパレット福島（福島県郡山市）
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-30
• [Presentation] 脳神経回路の網羅的解析：現状とその将来について (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: 第１１回日本統合失調症学会
  • Place of Presentation: ベイシア文化ホール（群馬県前橋市）
  • Year and Date: 2016-03-25 – 2016-03-26
  • Invited
• [Presentation] 1型グルタミン酸受容体による網膜－外側膝状体シナプスの成熟型結合パターンの維持 (2016)
  • Author(s): 鳴島円、内ヶ島基政、矢ケ崎有希、原田武志、南雲康之、上坂直史、渡邉貴樹、橋本浩一、饗場篤、渡辺雅彦、宮田麻理子、狩野方伸
  • Organizer: 第93回日本生理学学会大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-22 – 2016-03-24
• [Presentation] Imaging synapse remodeling in vitro and in vivo. (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: IMA conference on neural imaging in neuroscience.
  • Place of Presentation: Cambridge (UK)
  • Year and Date: 2016-03-21 – 2016-03-23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Imaging synapse dynamics by cutting edge imaging technologies. Invited lecture. (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: 7th APICA (Asian-Pacific International Congress of Anatomists)
  • Place of Presentation: Kent Ridge (Singapore)
  • Year and Date: 2016-03-17 – 2016-03-19
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 脳の機能理解を目指したシナプス計測技術の開発 (2016)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: 自然科学研究機構シンポジウム「次ステージ機能生命科学の展望」
  • Place of Presentation: 岡崎コンファレンスセンター（愛知県岡崎市）
  • Year and Date: 2016-03-10 – 2016-03-10
  • Invited
• [Presentation] In vivo imaging of synapse dynamics applied to psychiatric disorders. (2015)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: Symposium “Advanced molecular imaging of synapses in health and disease”, Neuroscience 2015
  • Place of Presentation: Chicago (USA)
  • Year and Date: 2015-10-17 – 2015-10-21
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Self-organization of polarized cerebellar tissue in 3D culture of human pluripotent stem cells. (2015)
  • Author(s): Muguruma, K., Kawakami, H., Hashimoto, K., Sasai, Y.
  • Organizer: Neuroscience 2015 (Annual meeting of the Society for Neuroscience)
  • Place of Presentation: Chicago (USA)
  • Year and Date: 2015-10-17 – 2015-10-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Imaging synapse dynamics in vivo; its application in the analysis of neurodevelopmental disorders. (2015)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: 25th Neuropharmacology Conference 2015, “Synaptopathy – From biology to therapy”
  • Place of Presentation: Chicago (USA)
  • Year and Date: 2015-10-15 – 2015-10-16
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 興奮性シナプスの発達過程におけるACF7の分子イメージング (2015)
  • Author(s): 柏木 有太郎、岡部 繁男
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター(兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] マウス大脳皮質におけるスパイン安定性の解析 (2015)
  • Author(s): 田中 慎二、岩崎 広英、岡部 繁男
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター(兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] シナプス形成・維持過程におけるBMP4の役割 (2015)
  • Author(s): 東 誉人、田中 慎二、大城 洋明、岡部 繁男
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター(兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] 広範囲の光学再構築法を用いたミクログリアとシナプスの3次元解析 (2015)
  • Author(s): 飯田 忠恒、田中 慎二、岩崎 広英、市川 和典、岡部 繁男
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター(兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] Self-organization of polarized cerebellar tissue in 3D culture of human pluripotent stem cells. (2015)
  • Author(s): Muguruma, K., Nishiyama, A., Kawakami, H., Hashimoto, K., Sasai, Y.
  • Organizer: 第38回 日本神経科学学会大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] Analysis of spontaneous slow currents in inferior olivary neurons. (2015)
  • Author(s): Matsumoto, T., Nakayama, H., Hashimoto, K.
  • Organizer: 第38回 日本神経科学学会大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] Cortical excitatory/inhibitory imbalance in a mouse model for human 15q11-13 duplication. (2015)
  • Author(s): Nakai, N., Watanabe, Y, Kawamura, Y., Miyazaki, T., Watanabe, M., Okabe, S., Kano, M., Hashimoto, K., Takumi, T.
  • Organizer: 第38回 日本神経科学学会大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] Spatial and temporal distribution of microglia and climbing-fiber-Purkinje cell synapses during postnatal cerebellar development. (2015)
  • Author(s): Nakayama, H., Morimoto, C., Takimoto, R., Hashimoto, K.
  • Organizer: 第38回 日本神経科学学会大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-30
• [Presentation] Imaging mircoglia and synapses with an optical clearing tehcnique (2015)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: XII European meeting on glial cells in health and disease
  • Place of Presentation: Bilbao (Spain)
  • Year and Date: 2015-07-15 – 2015-07-18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Imaging microglia and synapses with an optical clearing technique. (2015)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: Novel insights into glia function & dysfunction” Cold Spring Harbor Conferences Asia
  • Place of Presentation: Suzhou (China)
  • Year and Date: 2015-06-22 – 2015-06-26
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Synapse development and remodeling studied by imaging technologies. (2015)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: “International Brain Projects” Cold Spring Harbor Conferences Asia
  • Place of Presentation: Suzhou (China)
  • Year and Date: 2015-06-19 – 2015-06-22
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] シナプス構造と動態のイメージング (2015)
  • Author(s): 岡部繁男
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第７１回学術講演会
  • Place of Presentation: 京都国際会館（京都府京都市）
  • Year and Date: 2015-05-13 – 2015-05-15
• [Book] 分子脳科学 5章「小脳の構造と機能」 (2015)
  • Author(s): 橋本浩一（5章担当） 三品昌美編
  • Total Pages: 291
  • Publisher: 化学同人
• [Remarks] 東京大学医学系研究科岡部研究室webページ
  • URL: http://synapse.m.u-tokyo.ac.jp/
• [Remarks] 広島大学医歯薬保健学研究院橋本研究室webページ
  • URL: http://home.hiroshima-u.ac.jp/physiol2/