共同研究・競争的資金等の研究課題

脳の作動原理および精神・神経疾患の病態を理解するためには、神経回路の基盤をなすシナプスがどのように形成され、生涯にわたって改変されていくのかを解明することが必須である。本研究では、私たちが発見した新しいシナプス形成分子である補体ファミリー分子Cbln1およびC1qL1-3に焦点をあて、小脳・海馬の代表的な神経回路においてどのように分泌され、どのように機能するのかを明らかにすることに成功した。 精神・神経疾患において、脳領域間をつなぐシナプス結合に異常があることが近年明らかになってきた。本研究では、私たちが発見した補体ファミリー分子に焦点をあてて、この問いに挑んだ。近年、てんかんに伴って補体ファミリー分子Cbln1の発現が低下することによって自閉症を示すことが報告された。また、補体ファミリー分子の結晶構造に基づいて新たに開発した人工シナプスコネクターを投与すると、小脳失調やアルツハイマー病モデルマウスの症状を大幅に寛解させることもわかってきた。このように、シナプス形成分子の基礎的知見は発達障害や精神・神経疾患の病態や新しい治療法の開発に繋がることが期待される。

小脳神経回路においては、発達期から成熟後にかけてさまざまな破壊を伴う創造現象（スクラップ＆ビルド）が観察される。まず、幼若プルキンエ細胞の複数の樹状突起は、生後8日目までに1本のみが選択的に強化されて残りは刈り込まれる。これまでに2光子顕微鏡を用いてin vivo小脳において樹状突起の選択的強化と除去を担う分子基盤の解明を進めた。プルキンエ細胞に発現するNMDA受容体の機能はこれまで謎であったが、細胞内Ca上昇とCaMKII活性化を介して、複数の樹状突起を1本化させることが判明した。また生後8日目以降になり、プルキンエ細胞に入力する複数の登上線維が刈り込まれて、1本の登上線維が選択的に強化される。この過程には登上線維が分泌するC1qL1とその受容体であるBai3が必須であることは知られていたが、成熟後にC1qL1-Bai3シグナリングが果たす役割は不明であった。これまでに成熟後にBai3が過剰活性化されると再び複数の登上線維がプルキンエ細胞を支配することを発見した。このような現象は、他の動物種や脳領域においてもさまざまな発達時期において起きることが知られている。これらの他の類似現象との比較を通して、「創造と破壊」が一体どのように連動するのか、発達期と成熟期でどのような原理が連続/非連続的に用いられるのか、といった問いに答えることによってスクラップ＆ビルド現象の基本原理の解明を目指した。 令和2年度が最終年度であるため、記入しない。 令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

本新学術領域の総括班は、５年間の研究案活動の中で、班員の研究活動を国内および国外においてサポートする役割と、班の研究成果を社会や世界に向けて発信する役割を担当した。具体的には、主として以下のような項目を担当した：(1) 領域HPの作製と運営、 (2) 研究集会の立案とオーガナイズ、(3) 研究や運営に関わる情報の班員への周知や共有、(4) 若手班員の研究サポート、(5) 国際会議の立案とオーガナイズ。 若手の班内および班外との共同研究を積極的に支援したことにより、ボトムアップ的に新たな研究や概念が生まれたとともに、研究者のキャリアパスをサポートできたと考えている。また、国際的に著名な国際会議である「コールドスプリングハーバー研究所神経国際会議」を、はじめて日本に誘致することに成功したことは、非常に重要な成果であると考えている。著名な神経科学者を世界から招聘して淡路島夢舞台国際会議場において国際会議開催したことにより、本領域活動はもとより、日本の神経科学研究のレベルの高さを世界に知らしめ、またグローバルな人的ネットワークの構築に成功したと考えている。

In the present study, I will investigate how dopaminergic pathways are formed to achieve their neurotransmission, focusing on the VTA-NAc mesolimbic dopaminergic pathway. I will accomplish three specific goals. First, I will characterize synaptic and non-synaptic contact sites along dopaminergic axons. Second, I will identify molecules involved in these contact sites. Finally, I will elucidate how synaptic and non-synaptic contact sites regulate dopaminergic functions. I expect to accomplish these goals and address long-standing questions in the mesolimbic dopaminergic pathway. ドーパミンは、認知・意思・行動に影響を及ぼす神経調節物質である。グルタミン酸やGABAなどの古典的な神経伝達物質は、シナプス小胞や神経伝達物質受容体が集積する「シナプス」を基点として情報伝達が行われる。一方、ドーパミンを含む小胞やドーパミン受容体は集積せず、容量伝達により情報伝達が行われると考えられてきた。しかし、私たちはドーパミン作動性神経線維は、ドーパミン受容体を発現する神経細胞との間に非シナプス性接着構造を形成することを見いだした。本研究では中脳辺縁系経路に焦点を当て、腹側被蓋野（VTA)のドーパミン作動性神経線維と側坐核（NAc)との間に形成される非シナプス性接着構造の分子実体とその機能的意義の解明を目指した。本研究成果は、統合失調症・パーキンソン病・自閉スペクトラム症などの精神神経疾患の理解を進めて、新たな診断・治療手段の開発につながる可能性がある。 具体的には、NAcとVTAのそれぞれにN末側半分とC末側半分に分割した緑色蛍光タンパク質（GFP)をグリコシルホスファチジルイノシトールによってそれぞれの神経細胞膜上に発現させることによって、VTA軸索とNAcが物理的に近接する部位で再構成されたGFP蛍光によって可視化する技術（GRAPHIC)を用いることによって、以下の3つの目標を達成する。まず、VTA軸索とNAcが近接する部位を明らかにする。次にこれらの近接部位に局在する分子群を同定する。最後に、シナプスと非シナプスの接触部位がどのようにドパミン作動性機能を制御しているのかを明らかにする。 本年度はドーパミン作動性ニューロンにおいてCreリコンビナーゼを発現する遺伝子改変マウスに対して、アデノ随伴ウイルス（AAV）を感染させることによって、VTA-NAcの近接部位をGFP蛍光で可視化することに成功した。 計画通り、ドーパミン作動性ニューロンにおいてCreリコンビナーゼを発現する遺伝子改変マウスに対して、アデノ随伴ウイルス（AAV）を感染させることによって、VTA-NAcの近接部位をGFP蛍光で可視化することに成功した。この技術を用いることによって、ドーパミン作動性軸索に沿ったシナプスおよび非ナプスの接触部位の特徴や、これらの接触部位に関与する分子群の同定が可能になることが期待できる。 VTA由来のドーパミン軸索とNAcの中型有棘神経細胞の間にはGFP蛍光で可視化される接着部位が存在した。この存在部位について免疫組織化学染色後に超解像顕微鏡観察を行うことによって、ドーパミン受容体やGABA受容体等のシナプス後部分子や、シナプス小胞分子や小胞放出分子群との位置関係を明らかにする。また接着部位の実体については再構成されたGFPに対する抗体を用いた免疫電子顕微鏡法によって明らかにする。近接部位に局在する分子群の機能的意義については、代表的な分子に対してノックダウンすることによって明らかにする。

7研究室は分子解析チーム（林、柚﨑）、回路・行動解析チーム（池谷、久保、三國、米原）、技術開発チーム（根本）の3つに分かれる。分子解析チームはシナプス可塑性のナノスケールの分子機構に主眼を置く一方、新しい分子解析技術を回路・行動解析チームに提供する。神経回路・行動解析チームは、記憶に伴う神経回路の再構成をシナプス可塑性に重点を置き解析していく一方、分子解析チームに対して有用なプローブや操作技術などのアイデアを出す。このように3つのチームがそれぞれの研究を進める一方、国際先導研究の枠組みを活かして、国内拠点および海外拠点と相互交流することによって、新しい技術開発と研究を強力に推進する。