大脳皮質局所神経回路の要素の形態特性とダイナミクス解析

大脑皮层局部神经回路元件的形态特征及动力学分析

• 批准号: 20021030
• 负责人: 窪田 芳之
• 金额: $ 4.86万
• 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 on Priority Areas
• 财政年份: 2008
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2008 至 2009
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20021030/
• 关键词: シナプス; 3次元再構築; 非錐体細胞; GABA; 大脳皮質; 樹状突起; シナプス入力・統合; Rall model; シナプス入力の統合

大脳新皮質には、基本的な単位である局所神経回路が存在し、それらが一団となって動作する事で高次脳機能が表現される事がこれまでの研究で明らかとなってきている。しかしながら、その回路がどのような配線構造をとるのか、どのような動作原理で機能するのか、未だ理解されるには至っていない。21年度は、大脳皮質の局所神経回路構築を解析する上で、一つの大事な問題であるシナプス結合に関して、より正確に定量的に解析する為の技術を向上させる為の工夫をし、それに関する技術的な論文を報告した。その概要を下記に示す。シナプスを定量的に解析する方法の一つに、連続超薄切片を電子顕微鏡を使って観察し、神経組織を3次元再構築し解析する方法が考えられる。私達は、この方法を使い、これまで、多くの神経細胞を解析してきたが、下記の2つの問題点に気がついた。1)超薄切片の厚みの正確な測定が、3次元再構築像の質を大きく左右する。2)切片面に平行あるいは平行に近い角度に存在するクレフト面を持つシナプス結合は、従来のシナプス結合の定義では見逃してしまう為、正確なシナプス入力の密度解析が出来ない。この2つの問題を改善する為に下記の方法を提唱したい。まず、超薄切片の厚み測定方法であるが、従来、minimum folding法、干渉光測定法、ミトコンドリアを利用した推測法が使われて来た。いずれも、正確な厚みを測定する方法とは言えない。今回、私達は、1nmの解像度を持つカラー3Dレーザ顕微鏡を使って超薄切片の厚みを測定し、信頼できる測定が可能である事を確認した。次に、シナプス結合の同定に関して、切片面に平行あるいは平行に近い角度のクレフト面を持つシナプス結合は、連続切片で、従来のシナプス結合の同定の為の定義の順序通りにシナプス結合の要素が観察できる場合はシナプス結合と判断して良い事を、tomography解析等により見出した。

此前的研究表明，大脑新皮质中存在着作为基本单位的局部神经回路，而高级脑功能是通过这些回路作为一个整体的运作来表达的。然而，目前尚不清楚该电路采用何种布线结构或其工作原理为何。 2021年，我们将致力于改进更准确地定量分析突触连接的技术，这是分析大脑皮层局部神经回路结构的重要问题，并将就此进行相关研究的技术论文进行报道。概要如下所示。定量分析突触的一种可能方法是使用电子显微镜观察连续超薄切片并在三个维度上重建和分析神经组织。我们已经用这种方法分析了很多神经元，但注意到以下两个问题。 1）超薄切片厚度的精确测量极大地影响3D重建图像的质量。 2）传统的突触连接定义忽略了与切割平面平行或接近平行的裂面的突触连接，从而无法准确分析突触输入的密度。为了改善这两个问题，我想提出以下方法。首先，为了测量超薄切片的厚度，使用了最小折叠法、干涉光测量法和利用线粒体的估计法。这些方法都不能说是准确的厚度测量方法。在这里，我们使用分辨率为 1 nm 的彩色 3D 激光显微镜测量了超薄切片的厚度，并证实了可靠的测量是可能的。接下来，关于突触连接的识别，具有与截面平面平行或接近平行的裂面的突触连接是串行截面，并且突触连接的元素按照常规突触连接识别所定义的顺序排列。通过断层扫描分析等方法，我们发现，如果能够观察到，就可以判断为突触连接。

项目成果

Dendritic dimension and synapse density on dendrites and soma of various cortical nonpyramidal cells

各种皮质非锥体细胞树突和体上的树突尺寸和突触密度

• 发表时间: 2009
• 作者: Araya;R.;et.al.;窪田芳之;窪田芳之;Yoshiyuki Kubota
• 通讯作者: Yoshiyuki Kubota

An excitatory and inhibitory synapse density on various GABAereic nonnvramidal cells in the rat cerebral cortex

大鼠大脑皮层中各种 GABA 细胞的兴奋性和抑制性突触密度

• 发表时间: 2008
• 作者: Araya;R.;et.al.;窪田芳之;窪田芳之;Yoshiyuki Kubota;岩里琢治;窪田芳之;岩里琢治;窪田芳之
• 通讯作者: 窪田芳之

Dendritic morphology and signal conduction property of cortical nonpyramidal cells

皮质非锥体细胞的树突形态和信号传导特性

• 发表时间: 2009
• 作者: Kubota Y;Karube F;Nomura M;Aoyagi T;Kawaguchi Y
• 通讯作者: Kawaguchi Y

Dendritic dimension and synapse density on dendrites and soma of various cortical nonpvramidal cells

各种皮质非病毒细胞树突和体细胞的树突尺寸和突触密度

• 发表时间: 2009
• 作者: Araya;R.;et.al.;窪田芳之;窪田芳之
• 通讯作者: 窪田芳之

「皮質局所神経回路の興奮性抑制性入力特性」ブレインサイエンス・レビュー2008(伊藤正男・川合述史編集)

“皮质局部神经回路的兴奋性和抑制性输入特征”《脑科学评论》2008年（伊藤雅夫和川合正司编辑）

• 发表时间: 2008
• 作者: Araya;R.;et.al.;窪田芳之;窪田芳之;Yoshiyuki Kubota;岩里琢治;窪田芳之;岩里琢治;窪田芳之;岩里琢治;窪田芳之;岩里琢治;Takuji Iwasato;窪田芳之;窪田芳之
• 通讯作者: 窪田芳之