Correlated LM and EM analysis of cortical microcircuit remodeling during learning

学习过程中皮质微电路重塑的相关 LM 和 EM 分析

基本信息

批准号：
19H03336
负责人：
窪田芳之
金额：
$ 11.07万
依托单位：
National Institute for Physiological Sciences
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

電子顕微鏡による大規模電顕画像３次元再構築処理法と光学顕微鏡観察法を相関させ、マウスの運動学習に伴う大脳皮質第一次運動野（M1)の神経回路変化を解析した。運動学習に伴い形成される新規のシナプス入力の由来が大脳皮質錐体細胞であるか視床の神経細胞であるかを明らかにした。大脳皮質錐体路細胞にGFPが発現する遺伝子改変マウス（Thy1-M系統）を用いて、種掴み運動課題を、毎日30分間10日間にわたり学習させた。M1の前肢領域上に頭蓋窓を作製し、毎日、課題トレーニング直後、同一の錐体細胞樹状突起セグメント（10-20箇所）を２光子励起顕微鏡下で生体観察し、棘突起の新生と消失を観察した。学習前、習得期、完成期の動物を灌流固定し、M1前肢領域の脳切片を作成する。VGluT1（vesicular glutamate transporter type 1; 錐体細胞の神経終末マーカー）、VGluT2（視床-皮質神経終末マーカー）、Homer（興奮性シナプス後膜マーカー）、GFP（錐体路細胞蛍光マーカー）に対する蛍光４重染色を行い、共焦点レーザー顕微鏡で観察した。生体観察した棘突起上で、Homerに接触するシナプス前終末マーカーを同定した結果、習得期には、新生棘突起にシナプスを形成する神経終末の多くが、大脳皮質２次運動野（M2）由来であること、完成期にはそれが消失するが、視床由来の神経終末の入力を受けている棘突起は残存し、大きくなっていることを見出した。さらに、化学遺伝学的手法で、その２つの興奮性入力経路の活動抑制した結果、M1投射M2神経細胞が学習の上達に深く関与している一方、M1投射視床神経細胞がその熟練運動の遂行を担っていることを認めた。本研究成果をまとめ、Science Advancesに2022/7に論文報告した。

通过将使用电子显微镜进行的大规模 3D 图像重建与光学显微镜观察相关联，我们分析了与小鼠运动学习相关的大脑皮层初级运动皮层 (M1) 的神经回路变化。我们澄清了运动学习过程中形成的新突触输入是否源自大脑皮层中的锥体细胞或丘脑中的神经元。大脑皮层锥体束细胞表达 GFP 的转基因小鼠（Thy1-M 品系）被用来学习抓种子运动任务，每天 30 分钟，持续 10 天。在M1的前肢区域制作颅窗，每天任务训练后立即在双光子激发显微镜下观察体内相同的锥体细胞树突节段（10-20个位置），并观察棘突的形成和消失。观察到。对预学习、习得和完成阶段的动物进行灌注固定，并制作 M1 前肢区域的脑切片。使用 VGluT1（囊泡谷氨酸转运蛋白 1 型；锥体细胞神经末梢标记物）、VGluT2（丘脑皮质神经末梢标记物）、Homer（兴奋性突触后膜标记物）和 GFP（锥体细胞荧光标记物）的荧光四联体进行染色并观察共焦激光显微镜。通过识别在体内观察到的棘突上与 Homer 联系的突触前末梢标记，我们发现在获取期间，许多在新形成的棘突上形成突触的神经末梢都起源于次级运动皮层（M2）。我们发现，尽管棘突在完成阶段消失，但接收来自丘脑的神经末梢的输入仍然存在，并且变得更大。此外，由于使用化学遗传方法抑制了这两个兴奋性输入通路的活动，M1 投射的 M2 神经元深入参与了学习的改进，而 M1 投射的丘脑神经元则参与了熟练运动的执行。负责我们总结了这项研究的结果，并于 2022 年 7 月在 Science Advances 上发表了一篇论文。

项目成果

期刊论文数量（24）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

大容量電子顕微鏡画像データとコネクトミクス

大容量电子显微镜图像数据和连接组学

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
窪田芳之;川口泰雄
通讯作者：
川口泰雄

Presynaptic control of spine dynamics for learning and memory in neocortex

新皮质学习和记忆中脊柱动力学的突触前控制

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Jaerin Sohn; Mototaka Suzuki; Sayuri Hatada; Mohammed Youssef; Matthew E Larkum; Yasuo Kawaguchi; Yoshiyuki Kubota
通讯作者：
Yoshiyuki Kubota

皮質－皮質間連絡・視床－皮質投射の入力依存的な運動学習時回路動態

运动学习过程中皮质-皮质连接和丘脑-皮质投射的输入依赖电路动力学

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
孫在隣;窪田芳之;川口泰雄
通讯作者：
川口泰雄

Correlative light and electron microscopic observation of calcium phosphate particles in a mouse kidney formed under a high-phosphate diet

高磷酸盐饮食下小鼠肾脏中磷酸钙颗粒形成的相关光镜和电镜观察

DOI：
10.1038/s41598-023-28103-3
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
4.6
作者：
Battulga Batpurev;Shiizaki Kazuhiro;Miura Yutaka;Osanai Yasuyuki;Yamazaki Reiji;Shinohara Yoshiaki;Kubota Yoshiyuki;Hara Toru;Kuro;Ohno Nobuhiko
通讯作者：
Ohno Nobuhiko

The critical balance between dopamine D2 receptor and RGS for the sensitive detection of a transient decay in dopamine signal.

多巴胺 D2 受体和 RGS 之间的关键平衡，用于灵敏检测多巴胺信号的瞬时衰减。