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研究領域 ＞ 脳神経回路の形成・動作原理の解明と制御技術の創出
戦略目標
「神経細胞ネットワークの形成・動作の制御機構の解明」
研究領域名
研究総括
小澤 瀞司（高崎健康福祉大学 健康福祉学部 教授）
概要
本研究領域は、脳神経回路の発生・発達・再生の分子・細胞メカニズムを解明し、さらに個々の脳領域で多様な構成要素により組み立てられた神経回路がどのように動作してそれぞれに特有な機能を発現するのか、それらの局所神経回路の活動の統合により、 脳が極めて全体性の高いシステムをどのようにして実現するのかを追求します。また同時に、これらの研究を基盤として、脳神経回路の形成過程と動作を制御する技術の創出を目指します。
具体的には、神経回路の構成素子である神経細胞及び神経回路の形成・動作に大きな影響を与えるグリア細胞の 発生・分化・再生・標的認識・移動に関する分子機構の解明、特異的発現分子や蛍光タンパク質を用いた特定神経細胞の可視化／多数の神経細胞の活動の同時記録／ケージド化合物による局所刺激法等の新技術の結集による神経回路の動作様式の解明、モデル動物を用いたネットワークレベル／システムレベルの研究と分子・細胞レベルでのシナプス伝達の調節機構との研究の組み合わせにより脳の高次機能とシナプスの機能変化との関連を明確にする研究、臨界期や障害後の神経回路再編成のメカニズムの解明とそれらの制御法に関する研究、などが含まれます。
平成23年度採択分
研究課題
生体内シナプス長期再編におけるグリア－シナプス機能連関
研究代表者(所属)
鍋倉 淳一 (自然科学研究機構生理学研究所 教授)
概要
内外環境の長期変化に応じて脳機能はダイナミックに変化しますが、その背景には神経回路の再編成過程が存在します。しかし、これまでは技術的な制約のため、生きた個体で神経回路の変化を経時的に観察することは困難でした。本研究では、二光子励起顕微鏡による観察法を生きた動物に適用し、生体内で神経回路の要となるシナプスの形態を長期間観察して、その変化を明らかにします。また、シナプス再編に対するミクログリアおよびアストロサイトの関与について検討し、グリア－シナプス機能連関という視点から脳の環境適応の仕組みを明らかにします。
研究課題
霊長類の大脳―小脳―基底核ネットワークにおける運動情報処理の分散と統合
研究代表者(所属)
星 英司 (東京都医学総合研究所認知症・高次脳機能研究分野 副参事研究員)
概要
大脳の運動野、小脳、基底核が協調的に機能することによって、さまざまな動作の表出が可能になります。本研究では、サルを用いて、これらの脳領域をつなぐ神経ネットワークの構築を細胞レベルで同定し、動作を発現する神経機構をミリ秒の精度で解明します。さらに、特定の領域や神経回路の障害が引き起こす個体行動と神経ネットワーク活動の変化を解析します。本研究によって、複数の脳領域の機能連関によって実現される運動情報処理のメカニズムと病態生理の解明を目指します。
研究課題
サル大脳認知記憶神経回路の電気生理学的研究
研究代表者(所属)
概要
霊長類の認知記憶は思考をはじめとするさまざまな高次精神機能の基礎となります。本研究では、この認知記憶システムの構成要素である記憶ニューロン群（記憶形成に関わる記銘ニューロンや記憶の引き出しに関わる想起ニューロン）を生みだす大脳側頭葉・前頭葉皮質の微小神経回路のはたらきを調べ、これらがどのように協調的に組織化されて記銘や想起という現象が可能になるかを明らかにします。多点電極で同時記録される神経信号間の因果的依存関係を、近年開発されたノンパラメトリック型の信号解析法によって解きほぐしていく方法を中心として、集学的アプローチにより研究を進めます。
研究課題
神経細胞の個性がつくる神経回路とセルアセンブリ
研究代表者(所属)
概要
脳を構成する神経細胞は個性をもちながら複雑な神経回路をつくり、集団として活動しています。本研究では、この神経細胞の個性ができる仕組みに着目し、神経回路の構築と機能形成の原理を明らかにします。また、この仕組みを操作する技術を開発することにより、これまで謎であった脳における並列分散的な情報処理の生物学的基盤の解明にアプローチします。本研究によって、こころの発達や精神神経疾患の分子的基盤の解明、さらには、感覚・運動・心を捉える新しいニューラルネットワークモデルの開発に貢献することが期待できます。
平成22年度採択分
研究課題
感覚情報を統合する高次神経の回路構造と機能のシステム解析
研究代表者(所属)
伊藤 啓 (東京大学分子細胞生物学研究所 准教授)
概要
脳は光・匂い・味・音・触覚などの五感の情報を総合して行動を制御しますが、異なる感覚器官からの情報がどのようにして脳で比較・統合されるかはほとんど分かっていません。本研究では神経を単一細胞レベルで効率よく解析できるショウジョウバエ脳をモデルとして、各感覚の低次中枢からの情報を統合して行動制御に結びつける脳領域を体系的に解析し、イメージングや特定神経の機能制御実験など多彩な研究を組み合わせて、情報統合の過程を明らかにします。
研究課題
大脳皮質の機能的神経回路の構築原理の解明
研究代表者(所属)
概要
大脳皮質には数百億の神経細胞が存在しますが、機能によって何十もの領野に分かれています。各領野も、さらに細かいモジュールに分割されています。本研究では、機能的な神経回路の最小単位の構造と機能を、単一細胞レベルの解像度をもつ独自のin vivo二光子イメージング技術を用いて解明し、単位回路の動作・形成原理の解明を通して、大脳皮質視覚野の神経回路が情報処理を行う上での基本構造・原理とその発生メカニズムを明らかにします。
研究課題
言語の脳機能に基づく神経回路の動作原理の解明
研究代表者(所属)
酒井 邦嘉 (東京大学大学院総合文化研究科 准教授)
概要
本研究は、システム神経科学に臨床的言語障害研究と言語理論研究を融合させた相乗効果をねらいとします。研究目標として、人間の脳における言語の機能分化と機能局在から機能モジュール（具体的には文法や意味処理等）の計算原理を明らかにして、モジュール間相互の神経結合から神経回路の動作原理の解明を中核に据えます。さらに、言語獲得の感受性期および言語障害後の神経回路再編メカニズムを解明することを目指します。
研究課題
海馬神経回路形成における細胞接着分子と関連分子の機能と作用機構
研究代表者(所属)
概要
海馬は記憶と学習の鍵となる脳部位であり、そこでは興奮性と抑制性の神経細胞がシナプスを介して局所的な神経回路を形成し、その出力を制御しています。しかし、海馬神経回路の形成機構や機能の発現機構の多くは不明のままです。本研究では(１) 神経回路形成における標的細胞認識、(２) シナプスの形態形成と機能制御、(３)シナプス可塑性発現のそれぞれの過程において、細胞間接着分子ネクチンとその結合タンパク質アファディン及びそれらの関連分子が果たす役割を解明します。
研究課題
可塑的神経回路を支えるシグナル伝達の分子基盤解明と制御
研究代表者(所属)
尾藤 晴彦 (東京大学大学院医学系研究科 准教授)
概要
神経回路には、遺伝子プログラムによって決定される回路（hardwired circuit）に加え、経験に依存して連結性が強化される可塑的回路（plastic circuit）の存在が想定されています。本研究では、新規のイメージング技術により、この可塑的回路を支えるシグナル伝達の分子基盤をシナプスレベルならびにシステムレベルで明らかにします。さらに、可塑的神経回路の脱構築・再構築を制御するための新技術を開発します。
研究課題
中枢神経障害後の神経回路再編成と機能回復のメカニズムの解明
研究代表者(所属)
概要
中枢神経回路が障害を受けると、ある程度の機能回復が自然にもたらされることがあります。我々は、脳損傷後に、運動機能を制御する皮質脊髄路が新たな代償性神経回路を形成することを明らかにしました。本研究では、げっ歯類、サルおよびヒトにおいて、脳の障害後に代償性神経回路が形成される分子メカニズムを解明するとともに、神経回路の再編成を促進することによって、失われた神経機能の回復を図る分子標的治療法の開発を行います。
平成21年度採択分
研究課題
手綱核による行動・学習の選択機構の解明
研究代表者(所属)
岡本 仁 (（独）理化学研究所脳科学総合研究センター 副センター長／シニアチームリーダー)
概要
手綱核は、間脳の最背側部に両側性に存在し、終脳辺縁系と中脳・後脳のモノアミン神経細胞群との結合を中継します。本研究では、手綱核が魚から哺乳類まで保存されていることを利用し、ゼブラフィッシュ、ラット、マウスを用いて、情動的価値判断を伴う行動の選択のスイッチボードとしての手綱核の役割を明らかにします。本研究は、心的外傷後ストレス障害（ＰＴＳＤ）や、価値と無関係に物事を覚えるサヴァン症候群などの発症メカニズムの解明にもつながります。
研究課題
大脳領域間結合と局所回路網の統合的解析
研究代表者(所属)
川口 泰雄 (自然科学研究機構生理学研究所 教授)
概要
大脳新皮質は幅０．１ｍｍほどの微小領域から多様な脳部位に投射し、この出力多様性に対応するために多様なニューロンを備えていると考えられます。本研究では、他の脳構造に投射する神経細胞サブタイプ間の結合特異性を明らかにし、選択的に相互結合する出力単位を同定します。その上で、多様な抑制性・興奮性ニューロンサブタイプからなる新皮質局所回路網の大脳領域間結合に依存した結合特性を明らかにします。
研究課題
神経幹細胞の分化ポテンシャル制御による神経回路構成素子の形成メカニズム
研究代表者(所属)
概要
神経回路の構成素子であるニューロンとそれを支えるグリア細胞は、共通の前駆細胞である神経幹細胞から発生過程に従い、決まった順序で生み出されます。必要な場所に必要な数のニューロンを正しく生み出す仕組みを理解する上で、神経幹細胞の運命転換のメカニズムを知ることが重要です。本研究では、エピジェネティックなクロマチン制御に注目し、この分子メカニズムを明らかにします。また、成体神経幹細胞の起源を明らかにし、これらがニューロンに分化し、さらに神経回路に組み込まれるための条件を探索します。
研究課題
シナプス前性神経回路制御メカニズムの生後発達
研究代表者(所属)
概要
巨大シナプス前末端とグリアをスライスおよび細胞培養によって可視化し、神経活動に伴うCa信号、電気信号、細胞内小器官の動態を実時間記録解析することや、分子操作を行って伝達物質の放出制御機構における分子の役割を同定することで、放出制御機構の生後発達および活動依存的変化を明らかにします。本研究によりシナプス伝達の分子メカニズムに新しい知見を提供し、その成果を臨床研究に波及させて、新たな脳疾患治療法の開発に貢献することを目指します。
研究課題
網膜神経回路のシナプス形成と生理機能発現の解析
研究代表者(所属)
古川 貴久 (（財）大阪バイオサイエンス研究所発生生物学部門 研究部長)
概要
本研究は、中枢神経系のモデルとして網膜に注目し、「シナプスの特異的結合の分子メカニズム」および「網膜神経回路の生理機能と動作メカニズム」を解明することを目的とします。網膜神経回路構築の分子レベルでの理解を進めると同時に、選択的網膜ニューロン破壊マウスを用いて電気生理学的解析や視覚行動解析を行い、網膜神経回路がどのようなメカニズムと機能原理に基づき視覚情報処理を行っているかを明らかにします。
研究課題
最先鋭技術で探る運動皮質回路の時空間表現と光制御
研究代表者(所属)
松崎 政紀 (自然科学研究機構 基礎生物学研究所 教授)
概要
随意運動が脳皮質内の神経回路にどのように情報表現されているのかを解明することを目指します。そのために、階層横断的方法論を結集・融合させ、運動に関わる皮質細胞の活動・分布を単一細胞レベルで明らかにし、それらの活動を光制御することで情報の流れと情報量を明らかにします。これにより、神経回路動作の一般原理の解明が進むとともに、脳損傷からの回復過程の細胞基盤が与えられることが期待されます。
研究課題
中枢神経系局所回路の状態遷移としての動的情報変換の解明
研究代表者(所属)
概要
脳の情報表現は、さまざまな認知的行動の際に動的に変化します。特に直感的認知行動に関しては、前頭前野と、皮質下の海馬、扁桃体、基底核などの階層的な機能連関が大切です。本研究では、脳回路の活動特性を決める状態維持や遷移には興奮性と抑制性の系のバランスが重要であるとの仮説に基づき、多細胞活動記録と光遺伝学ツールを組み合わせた実験系を開発することで、システム的な立場から脳の動的状態遷移のメカニズムを解明します。
研究課題
匂いで誘起される意欲・情動行動の神経回路機構
研究代表者(所属)
概要
本研究では、哺乳動物の脳の嗅覚中枢における、「食べ物の匂いによって引き起こされる食欲や快情動を担う神経回路」および「捕食動物（キツネやネコ）の匂いによって引き起こされる恐怖・忌避反応や不快情動を担う神経回路」を解明し、感覚情報を意欲・情動行動に結びつける神経回路ロジックを解き明かします。また、睡眠・休息時など感覚入力がほとんどないoff-line時の嗅覚中枢神経回路の機構を解明し、off-line時における脳の機能の一端を明らかにします。
研究課題
成熟脳におけるシナプス形成機構の解明と制御
研究代表者(所属)
概要
成熟脳においても、神経活動に応じてシナプスが形態的改変を受け続けます。この過程は長期記憶の基盤と考えられています。本研究では、新しく発見されたc1q ファミリー分子によるシナプス形成・維持機構を解明します。さらに、c1qファミリー分子を介したシグナル伝達経路を操作することによって、神経回路の形成と個体行動を制御する方法を探ります。本研究の成果は、加齢によるシナプス減少などの病態を視野に入れた臨床応用につながることが期待されます。
