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公募研究募集

井ノ口 馨松尾 直毅久恒 辰博吉原 良浩齊藤 実

上川内 あづさ多羽田 哲也石原 健飯野 雄一

計画研究

げっ歯類の記憶再固定化システムをモデルとした記憶ダイナミクスの共通原理の理解

富山大学大学院・医学薬学研究部(医学)
井ノ口 馨

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記憶は脳内に固定化され蓄えられたあとも、脆弱化・再固定・連合・減弱・転送などダイナミックなプロセスを経て質的に変化する。多くの記憶は想起に伴い脆弱化するが、その後再固定化のプロセスを経て再び安定した記憶になる。記憶の脆弱化・再固定化は、その後に新しく獲得した記憶と照合して記憶情報を動的にアップデートするためのキープロセスであると想定されているが、そのメカニズムには不明な点が多い。本研究では他の計画班員と密接な連携をとりながら、(1) 記憶の細胞レベルのモデルである海馬の長期増強(LTP)における神経活動に伴うシナプス伝達の脆弱化・再固定化を解析できるin vivoの系を用いて、シナプスレベルにおけるそれらのメカニズムを分子・細胞レベルで解析するとともに、(2) 得られた知見を記憶の脆弱化・再固定化に当てはめて、行動レベルの解析を行う。脆弱化・再固定化メカニズムは、オートファジー系の関与(下図)を中心に解析する。以上の研究を通して、従来全く解析されていなかった記憶エングラムの動態を、細胞・分子レベルから理解することを目指す。

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記憶情報を担う細胞集団の時空間的変化の解析

大阪大学大学院・医学系研究科
松尾 直毅

情報を忠実に記録・保持することが求められるコンピューターのハードディスクとは異なり、動物の脳が有する記憶システムでは、いったん獲得された情報が様々な外的・内的要因によりダイナミックに変化しうる点に大きな特徴がある。この仕組みのおかげで、動物は刻々と変化する環境に適応して生存していくことが可能となり、また、このような柔軟性と曖昧さを含んだシステムのおかげでヒトの創造やひらめきが産み出されるのかもしれない。しかし、現在の記憶研究は記憶が獲得・固定される初期段階のメカニズムでさえ未解明の部分が多く残されており、獲得後の動的な変化に関する研究は未だ手付かずの状態であると言っても過言では無い。

本研究課題では、いったん獲得された記憶のダイナミックな変化に伴う機能的細胞集団の動的な変化を捉え、それが表現する実体と神経基盤を理解することを目的とする。そのために、活動痕跡細胞集団の遺伝学的操作が可能な独自の遺伝子改変マウスのシステムを軸に行動実験、神経活動操作、組織解剖学、in vivo神経活動記録などを組み合わせた解析を行う。また、これらの研究を推進するために必要な新たな遺伝子改変マウスの開発・改良にも取り組む。

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哺乳類の脳機能老化メカニズムの解明を通じたダイナミズムの理解

東京大学・大学院新領域創成科学研究科
久恒 辰博

記憶機能は加齢とともに低下する。本研究では、記憶機能が低下した脳機能老化モデルマウスを用いて、その記憶神経回路ネットワークの構造と機能を通常マウスと比較することにより、加齢に伴う記憶機能低下の原因を探る。特に、アルツハイマー病モデルマウスを用いて、記憶機能が低下した際の海馬回路の特性を、動物fMRI解析等を通じて明らかにしていく。マウスのfMRI解析には、新たに導入する高分解能マウス用14.1T-MRI装置を用いる。

海馬では、脳老化に伴い記憶を司る新生ニューロンのはたらきが低下することも知られている。そこで、新生ニューロン機能を特異的に阻害できるマウスを導入し、各種の記憶試験(文脈恐怖条件付け学習や水迷路学習など)を実施すると共に、記憶課題遂行中のfMRI解析を行う。このような新生ニューロン記憶研究を切り口にして、海馬において、どのような細胞メカニズムにより、記憶情報が形成され、それが維持・変化する過程を経て、記憶が想起されてくるかについて新しい知見を得る。そして、記憶ダイナミズムの特徴を知る手掛かりを提供していく。

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オプトジェネティクス-fMRI解析(左) チャネルロドプシン2(ChR2)を発現した動物の脳内ニューロン群をMRI装置内において光ファイバーにより光刺激する。例えば、海馬歯状回(DG)を光刺激した後、CA3領域を含め海馬全体の神経活動(BOLD信号)が上昇していることがわかった。

マウス用記憶fMRI装置(右) MRI装置内に設置するオペラント学習装置。記憶機能が低下したアルツハイマー病マウスや新生ニューロン機能特異的阻害マウスなどを本装置内に設置し、視覚記憶課題を実施している最中の脳内ニューロン活動を高分解能fMRIによりイメージングする。

なお、本MRI装置は、広く公開を行い、研究支援活動のために利用していく。

ゼブラフィッシュにおける嗅覚記憶ダイナミズムの分子・細胞・神経回路メカニズム

理化学研究所・脳科学総合研究センター
吉原 良浩

嗅覚は、餌を探し出す、交配相手を見つける、親子を識別する、危険から逃避するなど、すべての生物にとって個体の生存や種の保存に直結する重要な化学感覚である。すなわち外界に存在する多種多様な匂い分子が嗅細胞で受容され、その情報が嗅球さらには高次嗅覚中枢へと伝達・処理されて、嗅覚イメージの形成、快不快の情動創出、さらには匂い記憶の成立へと至る。これまでに私たちのグループはゼブラフィッシュ及びマウスをモデル生物として用い、嗅覚入力から行動出力へと至る神経回路メカニズムの解明へ向けた研究を行い、多くの重要神経機能素子の同定について報告してきた。

本研究では嗅覚記憶の時空間的ダイナミズムの分子・細胞・回路メカニズムの全貌を明らかにすることを目的とし、遺伝学・発生工学・神経解剖学・神経活動イメージング・電気生理学・神経行動学など多様な実験手法を駆使できるゼブラフィッシュをモデル生物とした統合的解析を行う。具体的には、1)サケの母川回帰行動に代表される嗅覚インプリンティングを司る神経メカニズム、2)報酬・恐怖と関連させた嗅覚条件付け記憶を制御する神経メカニズムについて、嗅上皮から嗅球さらには高次嗅覚中枢へと至る神経回路の包括的かつ詳細な解析を行い、嗅覚記憶を担う重要神経回路素子(分子・細胞)の同定を行う。さらに記憶の形成・維持・想起・忘却を司る高次嗅覚中枢部位の同定と制御機構の解明へと挑む。

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記憶情報の変換ダイナミズムを担うショウジョウバエ神経・分子マシナリーの解明

代表者
東京都医学総合研究所・運動感覚システム研究分野
齊藤 実

分担研究者
首都大学東京・理工学研究科
坂井 貴臣
名古屋市立大学大学院薬学研究科
粂 和彦
東京大学大学院・総合文化研究科
佐藤 守俊

ショウジョウバエでは分子遺伝学的解析により、記憶獲得から長期記憶形成に至る各過程を担う遺伝子が多数同定され、キノコ体を始めとした学習記憶中枢や細胞集団の同定も進んでいる。しかし感覚情報から記憶情報へ、また短期記憶から長期記憶へといった情報の変換ダイナミズムが、いかなる動作機序を持つどのような(同定された脳領域・細胞集団で構成される)神経回路に担われているのか?学習記憶関連遺伝子として同定された遺伝子経路がこうした神経回路の動作特性をどのように規定するのか?といった記憶情報変換ダイナミズムの理解は進んでいない。また近年、学習記憶機構も固定化されたものでなく、寿命、飼育環境などの内的・外的環境に応じて可塑的に変化することが示されている。

これら記憶ダイナミズムの解明は、非学習個体と学習個体の個体間比較解析では難しく、同一個体での学習記憶過程に沿ったリアルタイム解析が必要となる。リアルタイムに局所回路の活性を調べた研究では、頭に観察窓を空けたショウジョウバエに、顕微鏡下で嫌悪性匂い条件付けを行い、条件刺激の匂いに対するキノコ体のCa2+応答が上昇する、記憶痕跡の形成を見た例がある(図1左in vivo イメージング)。しかし顕微鏡下のin vivo学習系では、観察中の脳の動きによりシナプスレベルでの解析が困難であり、観察可能な脳部位、高い時間分解能での遺伝子のON/OFF、生理学・薬理学的手法の適用や解析可能な時間などに高い制約があった。こうした問題点を補うため我々は “単離培養脳”で疑似的な匂い条件付けを行う“in vitroイメージング”解析系を開発した(図1右)。これら二つの解析系を相補的に利用することで、本研究では、①感覚情報から記憶情報への変換、②短期記憶から長期記憶への変換といった「記憶情報の変換ダイナミズム」、③内的・外的環境に応じて学習記憶機構が変換といった「学習記憶機構の変換ダイナミズム」の実体を分子・回路レベルでの動態解析から明らかにする。

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ショウジョウバエ聴覚馴化システムをモデルとした記憶ダイナミズムの共通原理の解明

名古屋大学大学院・理学研究科
上川内 あづさ

聴覚情報の記憶は,求愛歌に限らず私たちヒトから昆虫に至るまで、動物一般に広く見られる現象である。中でも「歌」は、一定時間さらされることで受け手の状態が変化し、最終的な行動発現を劇的に変化させる。しかしこのような特定の音刺激がどのような時空間ダイナミズムで経時的に「記憶」として個体内に蓄積されるのか、その謎は未解明である。本研究で用いるショウジョウバエは、求愛歌音を聞かせるとオスの求愛活性はいったん上昇するが、聞かせ続けると徐々に低下する。一方でメスでは、聞かせ続けることにより徐々に求愛受け入れ活性が上昇する。近年、私たちが独自に開発した聴覚行動自動解析ツールにより、これらの行動を高時間分解能で大規模に解析することが可能となった。

そこで本研究計画では、小規模モデル動物であるショウジョウバエの聴覚系を用いて、聴覚情報が、記憶を介して行動を制御・修飾する脳神経機構の解明を目指す。オスやメスが示す、聴覚に依存した2種類の行動可塑性(図1、2)を実験モデルとして、聴覚情報記憶形成の軌跡としての神経回路や、そのダイナミズムを担う神経分子機構を解明する。さらに本研究で得られた成果を、本領域内の他の「記憶」システムで得られる知見と比較し,「記憶が獲得され行動制御システムに統合される神経ダイナミクス」過程、すなわち「記憶動性」を制御する動作原理を抽出する。

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ショウジョウバエの匂い記憶情報処理の時空間ダイナミズムの解明

代表者
東京大学・分子細胞生物学研究所
多羽田 哲也

分担研究者

東京大学大学院・農学生命科学研究科
江島 亜樹

記憶はどの神経のどのような分子に担われ、どこに蓄積され、どのように想起されるのか。未だに明確に答えることはできない。ショウジョウバエの嗅覚学習記憶系をモデルとすれば、たかだか数千個の神経細胞の解析により、この質問に答えることができる。嗅覚系3次神経であるキノコ体は、約2000の内在神経細胞(KCs)より構成され、その中の神経細胞の活動の組み合わせにより匂いを識別して、記憶を形成することが知られている。KCsの神経群は大きく3サブタイプに分類され、それぞれが記憶の獲得、固定、想起などに機能するとされているが、その分子機構の多くは未知である。この機構を理解するために以下の研究を行う。

  1. KCsにCaリポーターGCaMP等を発現させたショウジョウバエを開頭して2光子顕微鏡下におき、匂い刺激および罰/報酬刺激を与えイメージングを行い、population activity多次元データ解析法を用いて匂いコーディングや記憶痕跡を解析する。
  2. 上記の解析をもとにKCsのサブタイプが示す素過程特異的な働きの分子基盤を解明する。
  3. CREBの結合配列を持つリポーター遺伝子の導入によりCRE細胞をラベルし、その細胞で様々な遺伝子を発現することができるトランスジェニック系統を作成した。この系統を用いて匂い罰/報酬連合学習による長期記憶形成におけるCRE細胞の機能を探る。CRE細胞は長期記憶の誘導とともに増加するが、長期記憶形成前からKCsの中にも存在する。これらのCRE細胞は遺伝的に他のKCsと異なっている可能性がある。Cell assembly仮説の文脈の中でこれらの細胞の働きを明らかにする。
  4. KCsからの出力を受容する4次嗅覚神経がいくつか知られている。これらの神経記憶痕跡を見出しているので、それを生起させる3次嗅覚神経KCsのシナプス可塑性の機構を明らかにする。記憶形成の1つの分子実体を解明する。
  5. 上記の記憶痕跡を生み出す分子機構を明らかにするためにKCsで発現する遺伝子の記憶形成における機能を明らかにする。

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線虫C. elegansの忘却制御機構から探る記憶のダイナミズム

九州大学大学院・理学研究院
石原 健

動物は、経験に基づいて、様々な情報を記憶として保持している。刻々と変化する環境に適応するためには、記憶を適切な時間だけ保持することが必要である。そのためには、記憶の形成だけではなく忘却も適切に制御される必要がある。また、記憶容量の超過や古い記憶と新しい記憶との干渉を防ぐためにも、記憶を適切に忘却することは、生物にとって重要であると考えられる。本研究においては、記憶の忘却の制御機構について、線虫C, elegansの行動可塑性をモデルとして用い、分子遺伝学的解析と神経活動のイメージングを組み合わせて明らかにする。

線虫の嗅覚順応により起こる匂い物質への応答の低下は、約4時間で回復する。私達は、この記憶が約24時間続く変異体を単離し解析を進め、忘却促進シグナルが分泌されることによって、神経回路内の神経間相互作用により記憶の保持時間が制御されていることを明らかにした(下図)。本研究では、この研究成果を発展させ、忘却の制御に異常を示す変異体の遺伝学的解析により、忘却を制御するシグナル経路やそれらが働く神経回路を同定するとともに、忘却を制御する経路の最下流因子の標的を同定することにより、記憶の維持に必須な因子を探索することを計画している。また、忘却促進シグナルが餌の有無などの環境要因や内部状態によって制御されていることから、環境や内部状態による忘却制御機構についても遺伝学的手法を用いて明らかにする。さらに、忘却を制御する神経細胞について、刺激に依存した活動を測定することによって、忘却過程を可視化する。

これまで忘却を制御する神経回路の働きは、ほとんど明らかになっていないことから、本研究の成果は、高等動物の記憶ダイナミズムを考える上で必要な記憶の保持時間の制御機構を解析するための基盤として重要である。

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学習記憶に関わる新規分子の発見と神経系における動態・機能の解明

代表者
東京大学・大学院理学系研究科
飯野 雄一

分担研究者
東京大学・大学院医学系研究科
饗場 篤

本計画研究では、神経細胞の数が全部で302個しかなく、それらが作る神経回路の構造が完全にわかっている線虫C.エレガンスを用いて学習・記憶の機構の理解に貢献することを目指す。線虫の示す多様な行動の中でも、塩や匂いなどの化学物質に引き寄せられる、またはそれを避けようとする化学走性行動は、感覚入力から行動出力までを分子、細胞、回路の各階層で分析するための優れた実験系である。研究代表者らは、これまでに化学走性行動とそれに関わる学習に重点を置いて研究を進めることにより、学習に関わるインスリン/PI3キナーゼ経路、Gq/PLC/PKC経路、カルシンテニン、ホスホイノシチド転移蛋白質、Ras-MAPK経路、NMDAタイプグルタミン酸受容体など多くの分子を同定し、神経回路の動作から行動までを一元的に説明するモデルを構築しつつある。そこで本研究では、学習により情報の流れがどう変わるかに注目し、体が透明な線虫の利点を用いて、生きたままの個体を用いて神経活動のイメージングと機能分子の動態観察を行い、
<細胞内分子のダイナミクス→回路のダイナミクス→行動のダイナミクス>
の各階層で学習記憶の機構の解明を統括的に行う予定である。

同時に、線虫の最大の利点である順遺伝学を用いて学習・記憶の各局面に関わる新規分子をさらに検索、同定し、これらの分子がいかに働いて行動をさまざまに変化させるかを理解する。さらに、線虫での細胞レベルでの研究により機能的な解明が進んだ分子については、そのホモログについての遺伝子改変マウスを作製し、行動と神経活動についての研究を進めることにより、学習・記憶の分子機構について、種間での保存性や種による違いを明らかにする。新学術領域「記憶ダイナミクス」の他の班員が進める学習・記憶に関するさまざまな研究と相互作用しながら、線虫で見いだした遺伝子の情報を提供することにより、学習・記憶の機構の全体像を描出することに貢献する。

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