第14回生命資源研究・支援センターシンポジウム

「発達期脳の生体イメージングによる、脳神経回路形成機構と脳病態の解明」 

  国立遺伝学研究所 形質遺伝研究部門 水野 秀信 先生

 生後発達期において、大脳皮質神経回路は感覚器からの入力により成熟する。大脳皮質神経回路の成熟は正確な感覚入力処理の基盤であるため、そのメカニズム解明は医学・生物学における最も重要な課題の1つである。しかし生きた個体においては、大脳皮質神経回路の経時的成熟過程、およびダイナミックに起こる回路形成を制御する分子・細胞メカニズムは、ほとんど不明であった。私はマウス体性感覚野の神経回路(バレル神経回路)の形成過程をモデルとし、生体新生仔脳を観察するための2光子顕微鏡イメージング法を改良・開発する事で、その形成メカニズムの解明を進めてきた。

 研究では、新しく開発した生体の一部の細胞で任意の遺伝子を発現可能なシステム(Supernova法)を用いることで体性感覚野の神経細胞を蛍光標識した。次に蛍光標識した細胞を新生仔において2光子観察した。その結果、神経細胞の樹状突起は回路形成過程で正しい感覚入力を伝える軸索を探索していること、NMDA型グルタミン酸受容体(神経回路形成・記憶等に関与する神経伝達物質受容体)が樹状突起ダイナミクスを制御することで正確に回路が成熟することが明らかになった(Mizuno et al., Neuron 2014)。さらに、神経回路の成熟を駆動する神経活動パターンを明らかにするため、カルシウムインディケーターGCaMP6を用い、体性感覚野神経細胞のカルシウムダイナミクス(活動パターン)を2光子観察した。その結果、パッチワーク状の同期活動を示す神経細胞群の存在を 新しく見出した。この同期活動はバレル神経回路が形成される生後1週齢で選択的に観察されたため、バレル神経回路形成への関与が示唆された(Mizuno et al., revised)。

 本シンポジウムでは、これまでの研究とともに、現在新しく進めている、①神経回路形成における細胞内分子動態の役割を2光子観察により解明する研究、②我々が開発した生体内の細胞を簡便に遺伝子編集するシステム(Luo et al., Sci Rep 2016)により作成した脳疾患モデル動物を2光子観察することで、脳病態の解明を目指す研究についても紹介する。