高感度シナプスカルシウムプローブを用いたスパイン内代謝の病態進行の研究

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Unraveling micro-endophenotypes of psychiatric disorders at the molecular, cellular and circuit levels.
• Project/Area Number: 15H01275
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 大倉 正道 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (70369172)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 神経科学 / 樹状突起スパイン / カルシウム活動 / 代謝活動 / 病態進行

Outline of Annual Research Achievements

海馬は記憶の形成や想起を担う脳部位であり、海馬錐体細胞においてグルタミン酸作動性の興奮性シナプス入力部位である個々の樹状突起棘（スパイン）が記憶に重要であると考えられている。統合失調症等の一部の精神疾患では海馬でのスパインの萎縮やスパイン数の減少等に伴って進行性の記憶障害が生じるが、その１つのマイクロ病態としてミトコンドリアの障害による代謝異常が関与する可能性が明らかにされ始めている。しかしミトコンドリア障害とシナプス病態が経時的にどのように進行するのかは未だに明らかにされていない。本研究では、統合失調症様の症状を誘発させる薬物の投与や遺伝子の操作によって個々のスパインのCa2+活動・代謝活動、およびシナプス近傍の神経内外環境がどのように変化するのかを明らかにし、記憶障害の発現・進行に関わるマイクロ病態を解明することを目的としている。27年度はスパイン内Ca2+活動と代謝活動の経時変化をイメージングで測定することを可能にする蛍光プローブの作製を行った。さらにシナプス病態の経時的な進行を明らかにするため、長時間培養下での蛍光イメージングを行うための実験条件を検討した。一方、生体レベルでの２光子イメージング法による神経発火活動の検出に適した蛍光Ca2+プローブの比較検討を行った結果、研究代表者らが以前に開発した緑色Ca2+プローブであるG-CaMP7が特に優れたパフォーマンスを示すことを見出した。そこでテトラサイクリン応答配列の使用によりG-CaMP7を特定の時期にだけ発現させることができるトランスジェニックマウスの作成を行った。そしてこのトランスジェニックマウスの活用により、海馬等の部位において単一神経細胞レベルで高精度に神経Ca2+活動を解析できることを示した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

スパイン内Ca2+活動と代謝活動の解析用プローブの作製や長時間培養イメージングの条件検討が順調に進んでいるため。

Strategy for Future Research Activity

最終年度は、これまでの研究成果に基づき、統合失調症様精神症状を誘発させる薬物の投与や遺伝子の操作によりシナプス病態がどのように進行するのかを解析する。

Research Products

• [Journal Article] Calcium imaging reveals glial involvement in transcranial direct current stimulation-induced plasticity in mouse brain. (2016)
  • Author(s): Monai H, Ohkura M, Tanaka M, Oe Y, Konno A, Hirai H, Mikoshiba K, Itohara S, Nakai J, Iwai Y, Hirase H
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 7:11100 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1038/ncomms11100
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] JSAP1/JIP3 and JLP regulate kinesin-1-dependent axonal transport to prevent neuronal degeneration. (2015)
  • Author(s): Sato T, Ishikawa M, Mochizuki M, Ohta M, Ohkura M, Nakai J, Takamatsu N, Yoshioka K
  • Journal Title: Cell Death and Differentiation Volume: 22(8) Pages: 1260-1274
  • DOI: 10.1038/cdd.2014.207
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A top-down cortical circuit for accurate sensory perception. (2015)
  • Author(s): Manita S*, Suzuki T*, Homma C, Matsumoto T, Odagawa M, Yamada K, Ota K, Matsubara C, Inutsuka A, Sato M, Ohkura M, Yamanaka A, Yanagawa Y, Nakai J, Hayashi Y, Larkum ME, Murayama M
  • Journal Title: Neuron Volume: 86(5) Pages: 1304-1316
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2015.05.006
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Generation and imaging of transgenic mice that express G-CaMP7 under a tetracycline response element. (2015)
  • Author(s): Sato M, Kawano M, Ohkura M, Gengyo-Ando K, Nakai J, Hayashi Y
  • Journal Title: PLoS One Volume: 10(5):e0125354 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0125354
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparison of genetically encoded calcium indicators for monitoring action potentials in mammalian brain by two-photon excitation fluorescence microscopy. (2015)
  • Author(s): Podor B, Hu Y, Ohkura M, Nakai J, Croll R, Fine A
  • Journal Title: Neurophotonics Volume: 2(2):021014 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1117/1.NPh.2.2.021014
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 意識下活動動物からの特定神経活動記録法の開発. (2016)
  • Author(s): 山下哲, 犬束歩, Srikanta Chowdhury, 中井淳一, 大倉正道, 田口徹, 桑木共之, 山中章弘
  • Organizer: 第93回日本生理学会大会
  • 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] 光刺激・計測によるマウス大脳皮質層間信号統合のin vivo解析. (2016)
  • Author(s): 小泉協, 佐藤正晃, 大倉正道, 中井淳一, 林康紀, 八尾寛
  • Organizer: 第93回日本生理学会大会
  • 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] ２光子イメージング法での神経発火活動の検出に適した蛍光カルシウムプローブ蛋白質の比較検討. (2016)
  • Author(s): 大倉正道, Borbala Podor, Yi-ling Hu, Roger Croll, Alan Fine, 中井淳一
  • Organizer: 第89回日本薬理学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜 （神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-03-09 – 2016-03-11
• [Presentation] タンパク質型Ca2+インジケーターCEPIAを用いた細胞小器官Ca2+シグナルの可視化と機能解析. (2016)
  • Author(s): 鈴木純二, 金丸和典, 石井邦明, 大倉正道, 大久保洋平, 飯野正光
  • Organizer: 第89回日本薬理学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜 （神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-03-09 – 2016-03-11
• [Presentation] 生体内光刺激・計測によるマウス大脳皮質層間信号統合の可視化. (2015)
  • Author(s): 小泉協, 佐藤正晃, 中井淳一, 大倉正道, 林康紀, 八尾寛
  • Organizer: 生理研研究会「シナプス・神経ネットワークの機能ダイナミクス」
  • Place of Presentation: 生理学研究所 （愛知県岡崎市）
  • Year and Date: 2015-12-02 – 2015-12-03
• [Presentation] G-CaMP7発現マウス大脳皮質脳細胞活動の細胞-領野スケール長期イメージング実験解析法. (2015)
  • Author(s): 茂木優貴, 安藤恵子, 沖篤志, 岩井陽一, 毛内拡, 平瀬肇, 大倉正道, 中井淳一
  • Organizer: 第38回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場 （兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-04
• [Presentation] Rational design of ultrafast, high-affinity calcium indicators for monitoring neuronal activity. (2015)
  • Author(s): Masatoshi Inoue, Atsuya Takeuchi, Shin-ichiro Horigane, Hajime Fujii, Satoshi Kamijo, Sayaka Takemoto-Kimura, Masamichi Ohkura, Keiko Gengyo-Ando, Masanobu Kano, Junichi Nakai, Kazuo Kitamura, and Haruhiko Bito
  • Organizer: Neuroscience 2015
  • Place of Presentation: McCormick Place （Chicago, USA）
  • Year and Date: 2015-10-17 – 2015-10-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 生細胞イメージングに向けた抗CD3抗体結合CdSe/ZnS 量子ドットのエンドサイトーシスの検討. (2015)
  • Author(s): 宇高光, 福田武司, 鈴木美穂, 大倉正道, 中井淳一, 鎌田憲彦
  • Organizer: 第24回日本バイオイメージング学会学術集会
  • Place of Presentation: 東京理科大学葛飾キャンパス （東京都葛飾区）
  • Year and Date: 2015-09-26 – 2015-09-28
• [Presentation] Slow frequency modulation of hippocampal theta oscillations as a carrier for encoding in a spatial-cued running task in rodents. (2015)
  • Author(s): Daniel Gomez-Dominguez, Kotaro Mizuta, François Laurent, Masaaki Sato, Takashi Takekawa, Masamichi Ohkura Junichi Nakai, Tomoki Fukai, Yasunori Hayashi, Liset Menendez de la Prida
  • Organizer: 16th National Congress of the Spanish Society of Neuroscience
  • Place of Presentation: Palacio de Congresos de Granada （Granada, Spain）
  • Year and Date: 2015-09-23 – 2015-09-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rational design of a novel high-affinity, ultrafast, red calcium indicator R-CaMP2. (2015)
  • Author(s): Masatoshi Inoue, Atsuya Takeuchi, Shin-ichiro Horigane, Hajime Fujii, Satoshi Kamijo, Sayaka Takemoto-Kimura, Masamichi Ohkura, Keiko Gengyo-Ando, Masanobu Kano, Junichi Nakai, Kazuo Kitamura, Haruhiko Bito
  • Organizer: 第58回日本神経化学大会
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティ （埼玉県さいたま市）
  • Year and Date: 2015-09-11 – 2015-09-13
• [Presentation] Cortical top-down inputs for precise sensory perception in mice. (2015)
  • Author(s): Manita S, Suzuki T, Homma C, Matsumoto T, Odagawa M, Yamada K, Ota K, Matsubara C, Inutsuka A, Sato M, Ohkura M, Yamanaka A, Yanagawa Y, Nakai J, Hayashi Y, Larkum ME, Murayama M
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会シンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場 （兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] Roles of zebrafish cerebellar neural circuitry in classical fear conditioning. (2015)
  • Author(s): Matsuda K, Yoshida M, Asakawa K, Ohkura M, Nakai J, Kawakami K, Hibi M, Shimizu T
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場 （兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] Rational design of a novel high-affinity, ultrafast, red calcium indicator R-CaMP2. (2015)
  • Author(s): Inoue M, Takeuchi A, Horigane S, Ohkura M, Gengyo-Ando K, Fujii H, Kamijo S, Takemoto-Kimura S, Kano M, Nakai J, Kitamura K, Bito H
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場 （兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] Selective representation of a valued place in hippocampal CA1. (2015)
  • Author(s): Mizuta K, Sato M, Sekine Y, Kawano M, Tanvir I, Masumoto T, Ohkura M, Nakai J, Hayashi Y
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場 （兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] Real-time visualization of neuronal activity in zebrafish and C. elegans. (2015)
  • Author(s): Nakai J, Ohkura M, Kagawa-Nagamura Y, Muto A, Inoue M, Bito H, Kawakami K, Gengyo-Ando K
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会シンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場 （兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
  • Invited
• [Presentation] Structual and physiological analysis of neural circuit for swimming locomotion of the larva of Ciona intestinalis. (2015)
  • Author(s): Takeo Horie, Masamichi Ohkura, Yasunori Sasakura, Takehiro G. Kusakabe, Junichi Nakai, Michael S. Levine, Masashi Nakagawa
  • Organizer: 8th International Tunicate Meeting
  • Place of Presentation: リンクスステーションホール青森 （青森県青森市）
  • Year and Date: 2015-07-13 – 2015-07-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] G-CaMP7を大脳皮質に発現するマウスを用いた神経活動のミクロマクロ解析法. (2015)
  • Author(s): 茂木優貴, 安藤恵子, 沖篤志, 岩井陽一, 毛内拡, 平瀬肇, 大倉正道, 中井淳一
  • Organizer: 第132回日本薬理学会関東部会
  • Place of Presentation: 明海大学浦安キャンパス （千葉県浦安市）
  • Year and Date: 2015-07-04 – 2015-07-04
• [Presentation] Imaging intraorganellar Ca2+ at subcellular resolution using CEPIA. (2015)
  • Author(s): Suzuki J, Kanemaru K, Ishii K, Ohkura M, Okubo Y, Iino M
  • Organizer: New Biological Frontiers Illuminated by Molecular Sensors and Actuators
  • Place of Presentation: GIS Convention Center at National Taiwan University （Taipei, Taiwan）
  • Year and Date: 2015-06-28 – 2015-07-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] G-CaMP開発の現状とイメージング技術への応用. (2015)
  • Author(s): 大倉正道, 中井淳一
  • Organizer: 新学術領域研究「マイクロ精神病態」公募研究キックオフミーティング
  • Place of Presentation: 東京農業大学世田谷キャンパス （東京都世田谷区）
  • Year and Date: 2015-06-11 – 2015-06-11
  • Invited
• [Book] Optogenetic manipulation and probing. 『Optogenetics: light-sensing proteins and their applications』Part 2, Chapter 9 (2015)
  • Author(s): Ohkura M, Sadakari J, Nakai J
  • Total Pages: 409 （133-148）
  • Publisher: Springer
• [Remarks] 埼玉大学 研究機構 脳末梢科学研究センター
  • URL: http://subsi.saitama-u.ac.jp/