新しい光技術による大脳シナプス可塑性誘発法の系統的研究

新型光学技术脑突触可塑性诱导方法的系统研究

基本信息

批准号：
09J05575
负责人：
葉山達也
金额：
$ 1.34万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2011
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-09J05575/
关键词：
脳・神経シナプス可塑性光刺激樹状突起スパイン

项目摘要

大脳皮質錐体細胞の興奮性シナプスを形成する後シナプス部位の多くはスパインと呼ばれる棘状構造を形成している。スパインはシナプス活動依存的な形態可塑性を示すことが知られており、記憶などの脳機能と関連する部位として考えられている。本研究の目的は、スパインの形態をシナプス機能の指標とし、ケイジド化合物などを用いた新しい光技術によるシナプス可塑性の系統的操作法を開発し、大脳機能のシナプス基盤をより直接的に解明することである。これまでの我々の研究から、ラット海馬スライス培養標本において、ケイジドグルタミン酸とケイジドGABAの2色光刺激法を用いることで、単一スパインレベルでのスパインの収縮及び除去の誘発が可能となった。この時、スパイン増大は刺激スパインに限局するのに対して、スパイン収縮は周囲のスパインにも拡散する事が判明した。また、隣接するスパインのそれぞれに増大・収縮刺激を同時に加えると、スパイン増大は収縮に打ち勝つことが出来ることが示された(局所シナプス競合)。これらは、空間分解能に優れた光刺激だからこそ解明できた現象である。さらに、これらの現象の分子基盤の解明に成功した。スパイン形態はアクチン細胞骨格により制御されており、アクチンの脱重合因子であるコフィリンが局所シナプス競合において、重要な役割を担っていることが示された。コフィリンの活性はリン酸化状態により制御されており、脱リン酸化コフィリンは拡散性のスパイン収縮因子であることが示された。それに対して、スパイン増大時にはリン酸化コフィリンが増大したスパインに集積することが明らかとなった。以上をまとめると、新規の光技術により、局所シナプス競合という新規の現象を世界に先駆けて見出すことに成功した。また、その分子基盤の解明にも成功した。これらの結果は、大脳機能の分子・細胞基盤の解明に非常に重要な役割を果たすものと考えられる。

大脑皮层锥体细胞中形成兴奋性突触的许多突触后位点形成称为棘的多刺结构。众所周知，脊柱表现出依赖于突触活动的形态可塑性，并且被认为是与记忆等大脑功能相关的区域。本研究的目的是利用脊柱形态作为突触功能的指标，利用笼状化合物的新型光学技术开发一种系统的突触可塑性操纵方法，更直接地阐明大脑功能的突触基础。我们之前的研究表明，在培养的大鼠海马切片中，我们可以通过使用笼状谷氨酸和笼状 GABA 的双色光刺激，在单棘水平上诱导棘的收缩和去除。这时，人们发现脊柱的增加局限于受刺激的脊柱，而脊柱的收缩则扩散到周围的脊柱。此外，研究表明，当对每个相邻的脊柱同时施加生长和收缩刺激时，脊柱的生长可以克服收缩（局部突触竞争）。这些现象只有使用具有出色空间分辨率的光学刺激才能阐明。此外，我们成功地阐明了这些现象的分子基础。脊柱形态受肌动蛋白细胞骨架调节，肌丝蛋白丝切蛋白（一种肌动蛋白解聚因子）已被证明在局部突触竞争中发挥重要作用。丝切蛋白的活性受其磷酸化状态调节，去磷酸化的丝切蛋白被证明是一种可扩散的脊柱收缩剂。相反，已经表明，当棘增加时，磷酸化肌动蛋白丝切蛋白在扩张的棘中积聚。综上所述，利用新的光学技术，我们在世界上首次成功发现了一种称为局部突触竞争的新现象。他们还成功地阐明了其分子基础。这些结果被认为在阐明大脑功能的分子和细胞基础方面发挥着非常重要的作用。