脳微小循環に関わる神経－グリア－血管相互作用におけるアストロサイトの役割の解明

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26350981
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 畝川 美悠紀 慶應義塾大学, 医学部, 特任講師 (10548481)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 冨田 裕 慶應義塾大学, 医学部, 講師(非常勤) (60276251)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 光遺伝学 / 脳微小循環 / アストログリア / ニューロン / neurovascular unit / 大脳皮質性拡延性抑制 / 赤血球速度

Outline of Annual Research Achievements

脳内では神経・グリア細胞・血管はneurovascular unit(NVU)を形成し、相互に連絡を取り合っている。NVUにおけるアストロサイトの役割、病態時の状態を解明するため、光感受性タンパクの1種であるチャネルロドプシン２(ChR2)をアストロサイトだけに特異的に発現させたマウス大脳に光を照射して脱分極を生じさせると、広範な脳血流の増加を来すことを見いだした。ウレタン麻酔下で左頭頂骨を露出し、青色レーザー光(波長488nm）を照射したところ、照射部位より広範囲で迅速な脳血流増加反応が繰り返し惹起された。次に、頭頂骨の一部を除去し、脳表に直接照射した場合の脳血流動態を観察し、各種阻害剤を脳表に滴下後の脳血流反応と比較することにより、そのメカニズムの解明を試みた。さらに、ChR2をニューロンに発現させたマウスにおいて同様の実験を行い、アストロサイトおよびニューロン賦活に伴い、異なるメカニズムを介して血流増加反応が惹起されることを明らかになった。
さらに、神経およびグリア細胞の一過性興奮が周囲に伝播する反応である大脳皮質拡延性抑制(CSD)誘発時の脳血流調節機序を検討するため、二光子顕微鏡、高速度カメラ共焦点レーザー顕微鏡を用いて脳実質内穿通動脈口径、毛細血管内赤血球速度を計測した。初回CSD通過時には著しい穿通動脈収縮と毛細血管内赤血球速度の低下、頻回CSD通過時には動脈拡張と毛細血管内赤血球速度の増加が繰り返されることが明らかになった。
一方、アストロサイトのNa-K-pumpノックアウトマウスにおけるCSD感受性および反応性を検討したところ、CSD誘発閾値が低下し、CSDからの回復が遅延するが、脳血流反応には影響しないことが明らかになった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

光照射によってアストロサイトおよびニューロンのみを特異的に刺激することにより、異なるメカニズムを介して脳血流が増加することを明らかにした。国内外で学会発表を行い、アストロサイト刺激時の反応に関してはScentific Reportsに掲載された。更に、ニューロン刺激時の反応の関して専門誌に投稿する論文を作成中である。
CSD誘発時の穿通動脈口径の経時的変化についてはJournal of Cerebral Blood Flow and Metabolismに掲載された。毛細血管内赤血球速度の変化に関して国内外で学会発表を行い、現在論文作成中である。さらに、アストロサイトのNa-K-pumpノックアウトマウスにおけるCSD感受性および反応性に関しては国内学会にて発表を行った。

Strategy for Future Research Activity

薬理学的手法を用いてニューロンおよぼアストロサイト刺激時の血流増加反応のメカニズムを更に詳細に比較検討し、脳血流調節機序におけるそれぞれの役割を検討する。
二酸化炭素負荷による全身、全脳的に血流が増加する際の脳内血管口径および毛細血管内赤血球速度を求め、CSD発生時の局所的変化と比較することによって脳血流調節機序を検討する。さらに、アストロサイトのNa-K-pumpノックアウトマウスを用いたCSD感受性および反応性についてメカニズムの解明を試みる。

Causes of Carryover

論文作成時に必要な英文校正、掲載費などに使用する予定だったが、準備が遅れたために前年度に使用できなかったため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

執筆中の論文があり、英文校正、専門誌への投稿に際して投稿料、掲載料に使用する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Unveiling astrocytic control of cerebral blood flow with optogenetics. (2015)
  • Author(s): Masamoto K, Unekawa M, Watanabe T, Toriumi H, Takuwa H, Kawaguchi H, Kanno I, Matsui K, Tanaka K F, Tomita Y, Suzuki N
  • Journal Title: Scientific reports Volume: 5 Pages: 11455
  • DOI: 10.1038/srep11455
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] アストロサイトによる脳血流調節 (2015)
  • Author(s): 正本和人, 畝川美悠紀, 冨田裕, 菅野巌, 鈴木則宏
  • Journal Title: 分子精神医学 Volume: 16 Pages: 17-24
• [Journal Article] Hyperperfusion counteracted by transient rapid vasoconstriction followed by long-lasting oligemia induced by cortical spreading depression in anesthetized mice (2015)
  • Author(s): Unekawa M., Tomita Y., Toriumi H., Osada T., Masamoto K., Kawaguchi H., Itoh Y., Kanno I., Suzuki N.
  • Journal Title: J Cereb Blood Flow Metab Volume: 35 Pages: 689-698
  • DOI: 10.1038/jcbfm.2014.250
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] オプトジェネティクスを用いた脳賦活による脳血流反応の空間伝播解析 (2015)
  • Author(s): 渡部竜志, 正本和人, 畝川美悠紀, 冨田裕, 田桑弘之, 菅野巖, 松井広, 田中謙二, 鈴木則宏
  • Organizer: 第4回ニューロフォトニクス研究会
  • Place of Presentation: ホテルグランドヒル市ヶ谷(東京都新宿区)
  • Year and Date: 2015-12-03 – 2015-12-04
• [Presentation] 二光子顕微鏡を用いた生体マウス脳内ミクログリアの三次元長期イメージングと定量解析 (2015)
  • Author(s): 結城浩弥, 正本和人, 畝川美悠紀, 冨田裕, 鳥海春樹, 海老根妙子, 菅野巖, 鈴木則宏
  • Organizer: 第4回ニューロフォトニクス研究会
  • Place of Presentation: ホテルグランドヒル市ヶ谷(東京都新宿区)
  • Year and Date: 2015-12-03 – 2015-12-04
• [Presentation] 家族性片麻痺性片頭痛２型モデルマウスにおける皮質拡延性抑制感受性および反応性 (2015)
  • Author(s): 畝川美悠紀, 池田啓子, 冨田裕, 鳥海春樹, 海老根妙子, 川上潔, 鈴木則宏
  • Organizer: 第43回日本頭痛学会総会
  • Place of Presentation: 京王プラザホテル(東京都新宿区)
  • Year and Date: 2015-11-13 – 2015-11-14
• [Presentation] 大脳皮質性拡延性抑制が実質内穿通動脈口径と局所脳血流および二酸化炭素負荷に対する反応性に及ぼす影響 (2015)
  • Author(s): 畝川美悠紀, 冨田裕, 鳥海春樹, 長田高志, 正本和人, 菅野巖, 鈴木則宏
  • Organizer: 第27回日本脳循環代謝学会総会
  • Place of Presentation: 富山国際会議場(富山県富山市)
  • Year and Date: 2015-10-30 – 2015-10-31
• [Presentation] Vasoreactivity of intracortical penetrating arteries of the cerebral cortex in response to cortical spreading depression and hypercapnia in anesthetized mice. (2015)
  • Author(s): Unekawa M, Tomita Y, Toriumi H, Osada T, Masamoto K, Kanno I, Suzuki N.
  • Organizer: 10th World Congress for Microcirculation
  • Place of Presentation: Kyoto International Conference Center(京都府京都市)
  • Year and Date: 2015-09-25 – 2015-09-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dynamics of red blood cells in intraparenchymal capillaries and arterial diameter during cortical spreading depression observed with high-speed camera confocal fluorescence microscope in anesthetized mice. (2015)
  • Author(s): Tomita Y, Unekawa M, Toriumi H, Osada T, Masamoto K, Kawaguchi H, Itoh Y, Kanno I, Suzuki N.
  • Organizer: 10th World Congress for Microcirculation
  • Place of Presentation: Kyoto International Conference Center(京都府京都市)
  • Year and Date: 2015-09-25 – 2015-09-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spatiotemporal dynamics of cerebral blood flow during focal activation with optogenetic photostimulation to the cortical neurons and astrocytes. (2015)
  • Author(s): Watanabe T, Masamoto K, Unekawa M, Toriumi H, Takuwa H, Kanno I, Matsui K, Tanaka K, Tomita Y, Suzuki N.
  • Organizer: 10th World Congress for Microcirculation
  • Place of Presentation: Kyoto International Conference Center(京都府京都市)
  • Year and Date: 2015-09-25 – 2015-09-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temporal diametric change of intracortical penetrating arteries in response to cortical spreading depression observed with two-photon microscopy in anesthetized mice. (2015)
  • Author(s): Unekawa M, Tomita Y, Toriumi H, Osada T, Masamoto K, Kanno I, Suzuki N.
  • Organizer: 27th International Symposium on Cerebral Blood Flow, Metabolism & Function
  • Place of Presentation: バンクーバー(カナダ)
  • Year and Date: 2015-06-27 – 2015-06-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The behavior of red blood cell in intraparenchymal capillaries during cortical spreading depression observed with high-speed camera confocal fluorescence microscope in anesthetized mice. (2015)
  • Author(s): Tomita Y, Unekawa M, Toriumi H, Osada T, Masamoto K, Kawaguchi H, Itoh Y, Kanno I, Suzuki N.
  • Organizer: 27th International Symposium on Cerebral Blood Flow, Metabolism & Function
  • Place of Presentation: バンクーバー(カナダ)
  • Year and Date: 2015-06-27 – 2015-06-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Astrocytic depolarization induced rapid and broad increase in CBFin in vivo mouse cortex. (2015)
  • Author(s): Masamoto K, Unekawa M, Watanabe T, Toriumi H, Takuwa H K, H., Kanno I, Matsui K, Tanaka K, Tomita Y, Suzuki N.
  • Organizer: 27th International Symposium on Cerebral Blood Flow, Metabolism & Function
  • Place of Presentation: バンクーバー(カナダ)
  • Year and Date: 2015-06-27 – 2015-06-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optogenetic activation of astrocyte-blood flow signaling in the anesthetized mouse cortex. (2015)
  • Author(s): Tomita Y, Masamoto K, Unekawa M, Watanabe T, Toriumi H, Takuwa H, Kawaguchi H, Kanno I, Matsui K, Tanaka K, Suzuki N.
  • Organizer: 第56回日本神経学会学術大会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ (新潟コンベンションセンター)(新潟県新潟市)
  • Year and Date: 2015-05-20 – 2015-05-23