研究内容

 

個々のニューロンは樹状突起,細胞体,軸索からなるきわめて複雑な構造をしています。さらに多数のニューロンが無数のシナプスによって連絡し合い,複雑なネットワークを形成しています。したがって脳機能の解明には個々のニューロン機能の研究とシナプス機能の研究の両方が必要になります。最近の神経科学の進歩により,酵素,受容体,イオンチャンネルなど,様々な機能分子の詳細や脳における局在が明らかにされつつあります。しかし,これらの機能分子の個々のニューロンやシナプスにおける生理的役割については多くの点で未解決のままであります。ニューロンの活動に依存してシナプスの伝わりやすさが変化する現象,すなわちシナプス可塑性は,発達期の脳におけるニューロンネットワークの形成や成熟動物における学習,記憶の基盤と広く考えられていますが,その機構についても不明の点が多く残されています。脳の高次機能の理解のためには,そのネットワークを形成する素子,すなわちニューロンとシナプスの理解が不可欠であります。

 当教室では,様々な機能分子のニューロンやシナプスにおける動態を,脳スライス,培養神経細胞,丸ごとの動物脳などの生きた標本を対象にし,主として電気生理学的および光学的測定法を駆使して探求しています。また,トランスジェニックマウスや遺伝子ノックアウトマウスの解析を積極的に行い,正常マウスとの比較により特定の機能分子の役割を追及しています。現在,大脳,小脳,海馬,および大脳基底核を研究対象として以下の3つのプロジェクトが進行中です。



(1) 脳におけるシナプス伝達調節機構

 軸索を伝導してきた活動電位がシナプス終末に到達すると,終末から伝達物質が放出され,シナプス後部受容体への結合とイオンチャネルの開口によってシグナルがシナプス後細胞に伝えられ,次いでシナプス間隙から伝達物質が除去されてシナプス伝達は終了します。脳において,これら3つの過程が精密に調節されており,安全で効率的なシナプス伝達が行なわれていると考えられます。私たちは,これらの過程に関与する機能分子の同定と,それらがシナプス伝達の強さを調節するメカニズムを,小脳,海馬,および大脳基底核のシナプスをモデルとして追求しています。一方,私たちは,脳に存在する内因性のマリファナ類似物質(内因性カンナビノイド)がシナプス後ニューロンからシナプス前終末へ,通常のシナプス伝達とは逆向きに情報を伝える"逆行性伝達物質"であることを2001年に報告し,大変大きな反響を得ました。引き続き,この逆行性伝達調節の機構を追求しています。
















Ohno-Shosaku, T., Maejima, T. & Kano, M.: Endogenous cannabinoids mediate retrograde signals from depolarized postsynaptic neurons to presynaptic terminals. Neuron 29: 729-738, (2001).


Maejima, T., Hashimoto, K., Yoshida, T., Aiba, A. & Kano, M.: Presynaptic inhibition caused by retrograde signal from metabotropic glutamate to cannabinoid receptors. Neuron 31: 463-475, (2001).


Hashimotodani, Y., Ohno-Shosaku, T., Tsubokawa, H., Ogata, H., Emoto, K., Maejima, T., Araishi, K., Shin, H-S. & Kano, M.: Phospholipase Cbeta serves as a coincidence detector through its Ca2+ dependency for triggering endocannabinoid signal. Neuron 45: 257-268, (2005).


Kano M, Ohno-Shosaku T, Hashimotodani Y, Uchigashima M, Watanabe M: Endocannabinoid-mediated control of synaptic transmission. Physiol. Rev. 89: 309-380 (2009).

Tanimura A, Yamazaki, M, Hashimotodani Y, Uchigashima, M, Kawata S, Abe M, Kita Y, Hashimoto K, Shimizu T, Watanabe M, Sakimura K, Kano, M: The endocannabinoid 2-arachidonoylglycerol produced by diacylglycerol lipase α mediates retrograde suppression of synaptic transmission. Neuron 65: 320-327, (2010).


Tanimura A, Uchigashima M, Yamazaki M, Uesaka N, Mikuni T, Abe M, Hashimoto K, Watanabe M, Sakimura K & Kano M.: Synapse type-independent degradation of the endocannabinoid 2-arachidonoylglycerol after retrograde synaptic suppression. Proc Natl Acad Sci U S A. 109: 12195-121200 (2012).




(2)  発達脳におけるシナプス可塑性

 神経系において,発達初期に過剰なシナプス結合が形成され,有用なものが強化固定化され,やがて不用なものは除去されて,成熟した機能的神経回路網が形成されると考えられています(シナプスの刈り込み)。小脳の登上線維とプルキンエ細胞のシナプスでも同様のことが起こります。成熟動物では小脳プルキンエ細胞はただ1本の登上線維によって支配されていますが,発達初期には3ー5本の登上線維の支配を受けており,発達につれて過剰な登上線維が除去され,生後約20日で成熟型の1対1の結合が完成します。私たちは,これをモデルとして,発達期の脳において機能的シナプス結合が形成されるメカニズムを研究しています。











Kano, M., Hashimoto, K., Chen, C., Abeliovich, A., Aiba, A., Kurihara, H., Watanabe, M., Inoue, Y. & Tonegawa, S.: Impaired synapse elimination during cerebellar development in PKC gamma mutant mice. Cell 83: 1223-1231, (1995).


Ichise, T., Kano, M., Hashimoto, K., Yanagihara, D., Nakao, K., Shigemoto, R., Katsuki, M. & Aiba, A.: mGluR1 in cerebellar Purkinje cells essential for long-term depression, climbing fiber synapse elimination and motor coordination. Science 288: 1832-1835, (2000).


Hashimoto, K. & Kano, M.: Functional differentiation of multiple climbing fiber inputs during synapse elimination in the developing cerebellum. Neuron 38: 785-796, (2003).


Hashimoto, K., Ichikawa, R., Kitamura, K., Watanabe, M. & Kano, M.: Translocation of a "winner" climbing fiber to the Purkinje cell dendrite and subsequent elimination of "losers" from the soma in developing cerebellum. Neuron  63: 106-118, (2009).


Hashimoto K, Tsujita M, Miyazaki T, Kitamura K, Yamazaki M, Shin H-S, Watanabe M, Sakimura K, Kano M: Postsynaptic P/Q-type Ca2+ channel in Purkinje cell mediates synaptic competition and elimination in developing cerebellum. Proc Natl Acad Sci USA 108: 9987-9992, (2011).

Uesaka N, Mikuni T, Hashimoto K, Hirai H, Sakimura K, & Kano M: Organotypic Coculture Preparation for the Study of Developmental Synapse Elimination in Mammalian Brain. J. Neurosci. 32: 11657-11670 (2012).


Nakayama H, Miyazaki T, Kitamura K, Hashimoto K, Yanagawa Y, Obata K, Sakimura K, Watanabe M & Kano M: GABAergic inhibition regulates developmental synapse elimination in the cerebellum. Neuron 74: 384-396 (2012).

Uesaka N, Uchigashima M, Mikuni T, Nakazawa T, Nakao H, Hirai H, Aiba A, Watanabe M & Kano M.: Retrograde Semaphorin Signaling Regulates Synapse Elimination in the Developing Mouse Brain.  Science 344: 1020-1023 (2014).




(3)  動物個体における2光子イメージング

    2光子イメージングという手法を使って、丸ごとの動物の中で神経細胞や神経回路の発達とそのはたらきを解析しています。小脳における感覚運動情報や大脳感覚野における感覚シナプス入力の可視化によって、神経情報処理の新たな側面が明らかになることが期待されます。




Kitamura, K., Judkewitz, B., Kano, M., Denk, W. & Hausser, M.: Targeted patch-clamp recordings and single-cell electroporation of unlabeled neurons in vivo. Nat. Methods 5: 61-67 (2008).


Schultz, S. R., Kitamura, K., Post-Uiterweer, A., Krupic, J. & Häusser, M.: Spatial pattern coding of sensory information by climbing-fiber evoked calcium signals in networks of neighboring cerebellar Purkinje cell. J. Neurosci., 29, 8005-8015 (2009).


Judkewitz, B., Rizzi, M., Kitamura, K. & Häusser, M.: Targeted in vivo single-cell electroporation. Nat. Protoc. 4: 862 - 869 (2009).


Kitamura K & Häusser M: Dendritic Calcium Signaling Triggered by Spontaneous and Sensory-Evoked Climbing Fiber Input to Cerebellar Purkinje Cells In Vivo. J. Neurosci. 31: 10847-10858 (2011).


Takahashi N, Kitamura K, Matsuo N, Mayford M, Kano M, Matsuki N & Ikegaya Y: Locally synchronized synaptic inputs. Science 335: 353-356 (2012).






2. 研究手法

スライス(小脳,海馬,大脳基底核)

培養細胞(小脳,海馬)

パッチクランプ法

カルシウムイメージング

2光子励起顕微鏡によるイメージング

インビボパッチクランプ法

遺伝子工学(ウィルス、エレクトロポレーション)


ノックアウトマウス,トランスジェニックマウス

1) グルタミン酸受容体(NMDA受容体,AMPA受容体など)

2) シグナル伝達関連分子(mGluR1, CB1R, Gq, PLCβ, PKCγなど) 

3) グルタミン酸トランスポーター(GLAST, GLT-1, EAAT4など)



3. 共同研究実績

 私たちは国内外の多くの一流研究室と共同研究を行なっています。ノックアウトマウスやトランスジェニックマウスの供給を受けたり,形態学的および生化学的な解析を依頼したりしています。現在までの共同研究実績は:MIT,CALTECH,UCSF, UCL,北大,東北大,東大,新潟大,金沢大,京大,阪大,神戸大,生理学研究所

などです。

 

内因性カンナビノイドによる逆行性シナプス伝達に関わるシグナル伝達経路

逆行性伝達物質によるシナプス伝達の調節

神経機能の生後発達と神経回路再編成