【研究領域課題番号】22KK0107 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

脳 / 神経

【研究種目】国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))

【研究期間】2022-10-07 - 2028-03-31

【配分額】20,020千円 (直接経費: 15,400千円、間接経費: 4,620千円)

【研究領域課題番号】20K20643 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

オルガノイド / 可塑性 / 神経回路組織 / in vitro / 学習 / 神経細胞 / 神経 / iPS細胞 / 脳

【研究成果の概要】

脳内の回路は複雑であるがゆえに高度な情報処理を行うことができるが、まさにその複雑さが脳の本質的な理解を阻む最大の難関となって立ちはだかっている。そこで本研究では脳内の神経回路を単純化して体外で再現し、学習させ、神経回路の機能と仕組みを理解する事を目指す。シナプスや神経細胞の可塑的変化はこれまで多く観察されてきたが、小さな可塑的変化の集積によって引き起こされる回路全体の学習を体外で達成した報告は無い。本研究代表者らは、脳が機能するために本質的に必須の要素は局所的な回路同士が巨視的につながりあう回路構造であるとの仮説を立て、この構造を持つ神経組織の回路を構築している。ヒトiPS細胞を三次元培養し、分化させると、自発的に発生中の脳のような構造を持った小さな組織ができる。このように幹細胞などから自発的に出来た神経組織は脳オルガノイドと呼ばれているが、細胞が持つ自発的発生プログラムのみによって作られた脳オルガノイドは局所的な回路しか模倣することができない。脳内で離れた領域同士がつながっている組織構造を模倣するために、代表者らは脳オルガノイドから伸びた軸索によって脳オルガノイドをつなぎ合わせた回路組織を作っている。これまでにマイクロデバイス内部で2つの脳オルガノイドを培養し、互いに伸びた多数の軸索がオルガノイド同士をシナプスを介してつなげる手法を確立した。このつながった脳オルガノイドは、つなげない通常のオルガノイドに比べて著しく活発な活動を示すことがわかった。また、この組織に外部から一定の時間間隔で繰り返し刺激を与えると、刺激に応じて可塑性を示すことなどが明らかになった。

【研究種目】挑戦的研究(開拓)

【研究期間】2020-07-30 - 2024-03-31

【配分額】26,000千円 (直接経費: 20,000千円、間接経費: 6,000千円)

【研究領域課題番号】18K19903 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

神経 / 脳 / iPS細胞 / オルガノイド / 軸索 / 脳組織 / ヒトiPS細胞 / 分化 / 組織工学 / 回路 / 大脳

【研究成果の概要】

本研究課題によって、ヒトiPS細胞から作製した大脳オルガノイドを軸索束組織を介してつなぎ合わせる技術を開発することができた。微細流路の両端に小さな部屋をもつ培養チップに2つの大脳オルガノイドを入れると、部屋の中のオルガノイドから伸長した軸索が流路内に入り、集まって束になる。軸索の先端は流路の逆側のオルガノイドにたどり着き、シナプスを形成してつながる。つなぎ合わされたオルガノイド間で神経活動がやり取りされることが明らかになった。

【研究の社会的意義】

大脳は領域(領野)ごとに機能が異なる局所構造（回路）をもち、それらが互いに巨視的に繋がり合うことで機能することができる。本研究ではこの基本の回路構造を模倣することを目指した。本研究で開発した方法によって、局所的な神経回路と巨視的な神経回路の両方を同時に持たせた人工組織内を作ることができるようになった。今後さらに発展させることによって脳に似た神経回路を構築し、機能解析などを行うために活用されることが期待される。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2018-06-29 - 2020-03-31

【配分額】6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)

【研究分野】医化学一般

【研究領域課題番号】24590341 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

Rab35 / 神経細胞 / 初期発生 / 低分子量Gタンパク質 / Rab / 初期胚発生 / 遺伝子欠損マウス / 神経 / メンブレントラフィック / 脳

【研究成果の概要】

低分子量Gタンパク質Rab35は細胞内膜輸送や神経機能制御に関わると考えられているが、哺乳動物におけるRab35の生理的役割は明らかになっていない。本研究では、Rab35遺伝子欠損マウスを作成し、その表現型を解析した。Rab35遺伝子欠損マウスは胎生致死となり、Rab35がマウス初期胚発生に必須の役割を果たすことが明らかとなった。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)

【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】18656076 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

脳 / 神経 / 培養神経細胞 / カルシウムイメージング / 自己組織化 / 微小電極アレイ / アモルファスシリコン

【研究成果の概要】

脳のモデルとして,自己組織的に形される培神経細胞の神経回が注目されている.従来の研究では,培養神経細胞活動を計測・刺激するために,多点電極アレイ(Multi-electrode array, MEA)が広く用いられてきた.しかし,MEAでは,電気刺激を与えられる範囲が電極上のみに制限されるため,刺激可能な面積や分解能に限界がある.この欠点を解消するための基盤技術として,光照射で刺激部位を任意の大きさ・形状に選択できる光アドレス電極を開発した.
本電極は,酸化スズ透明金属膜,水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)光導電性膜,アンチモン酸亜鉛分散エポキシ保護膜の3層から成る.光が電極に照射されるとa-Si:H膜の電気伝導率が上昇し,仮想的な電極が生成される.A-Si:H膜は,膜厚が150nm,暗導電率と明導電率がそれぞれ4x10^<-11>,3x10-5Ω-1cm^<-1>であり,CVD(Chemical Vopor Deposition)を用いて成膜される.保護膜は,スピンコートで成膜できる防水性保護膜で,弱アルカリ性の培養液によるa-Si:Hの劣化を防ぐ.同膜はアンチモン酸亜鉛を電荷担体とした10MΩ/sq.程度の表面抵抗を有する低導電性薄膜であり,膜厚方向にのみ電流を通す.
試作した電極の耐久性を培養液への暴露実験で評価したところ,誘電性及び導電性保護膜共に,2週間以上の培養液への暴露に耐え,その間,光感度はほぼ一定に保たれた.本電極上で神経細胞を培養し,光照射下で電気刺激を与えたところ,誘電性及び導電性保護膜を介した全面刺激双方で,神経細胞内のCa2+濃度の変化を誘発できた.さらに,導電性保護膜を介して局所刺激を与えると,光照射部位の神経細胞を選択的に刺激できた.これらの結果から,試作電極は,神経科学の構成論的研究の強力なツールとして期待できる.

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2006

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【研究分野】精神神経科学

【研究領域課題番号】18209037 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

児童精神医学 / 環境変動 / 遺伝子 / 脳 / 神経 / 発生 / 分化 / 脳・神経 / 発生・分化

【研究成果の概要】

自閉症を高率に合併することが知られている結節性硬化症の責任遺伝子TSC2に変異をもつEkerラットのスパインを超微形態学的に検討し、多数の融合した異常ミトコンドリアとシナプス未形成のフィロポディアを確認した。また、発達期に発現するarcadlinという蛋白質のスパイン制御機構を明らかにした。結節性硬化症では、TSC2-Rheb-mTORの異常が何らかのメカニズムを介してミトコンドリアの増殖あるいは融合を促進し、そのためにスパイン成熟の遅れをきたすものと考えられた。この点では、臨床遺伝学的研究により、神経接着因子(NRCAM)の遺伝子多型が自閉症と有意に関連することを見出しており、興味深い。オスのメス化作用が知られている環境ホルモンのラット新生仔期における低用量暴露が、成長後のオスのみに学習障害と多動をきたし、かつEstrogenα受容体(ERα)アンタゴニスト投与によって、環境ホルモンの脳への影響を未然に防ぐことができた。環境ホルモンの作用はラット胎仔海馬組織の初代培養系でも観察することができ、スパインの成熟遅延が見られた。このメカニズムにもERαの関与が証明された。
遺伝子解析では、7番および15番染色体長腕領域(7g,15g)上の候補遺伝子を中心に自閉症との関連を検討し、NRCAM以外にもTSC遺伝子やmaternal expression domain(MED)の一部との有意な関連を見出した。その他の部位ではオキシトシン受容体(OXTR)遺伝子の複数のSNPで自閉症症状との有意な関連を認めた。
神経画像研究では、自閉症の三主徴である、社会的相互性、コミュニケーション、固執・常同に対応する脳基盤をマルチモダリティ神経画像によって同定した。具体的には、自閉症患者の言語流暢性課題施行時の前頭葉賦活の低値とコミュニケーション障害の相関、固執の基盤となる空間的注意機能異常、社会性脳回路(下前頭回・上側頭溝など)の顕著な性差を見出した。これらの神経画像指標は、今後自閉症の三主徴に対応する遺伝子・分子基盤を効率的に見出す有力な中間表現型となる可能性がある。とくに、下前頭回は自閉症の認知異常との関連が推定されているミラーニューロンを担う部位であり、興味深い結果と考えている。現在男女差と関連する自閉症の分子機構として、性差のあるホルモンの代表であるオキシトシンに着目して研究を開始している。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】45,500千円 (直接経費: 35,000千円、間接経費: 10,500千円)

【研究分野】知能情報学

【研究領域課題番号】16500093 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

情報表現 / 情報圧縮 / 自己組織化 / 孤立局在興奮 / 相転移 / スピングラス / レプリカ法 / 視覚野 / 学習 / 脳 / 神経 / ヘブ学習 / 自己組織化マップ / 脳のモデル / ランダム

【研究成果の概要】

側頭葉の情報表現の知見を説明するために,自己組織化マップを形成する神経回路モデルにもとづき,アルゴリズムを提案した.従来の単峰性の局在発火をスパースな(まばらな)局在発火に置き換え,リング上の位置はスパースな局在発火の重心で表されるものとした.リング上の位置が少し変わると,それに従いスパースな局在発火の重心も少し変化するようになり,リング上での遠近関係は,スパースな局在発火の重心の位置にエンコードされていた.次に二つのリングのパターン分離について報告する.異なったリング上にあり同じ位置を持つ二点を考える.二つのリングの位置がそれ程離れていない場合は,この二点に対するスパースな局在発火の発火パターンがほとんど違わないとしよう.この時,神経場上には二つのリングの差は表現されていない.二つのリングの距離が離れている場合,同様に二つの点に対するスパースな局在発火の重心位置は変わらないとする.ここで二つのリングの距離が離れている場合,スパースな局在発火の重心位置は変わらないが,局在興奮内の発火パターンが著しく異なるとしよう.この場合も,スパースな局在興奮の重心位置はリング上の位置θを表現しており,局在興奮内の発火パターンが,二つのリングの情報を表現している.このような情報表現が,リング間の距離が大きいときに獲得されることがわかった.この現象はリング間距離による相転移現象と考えることができる.
このメカニズムを説明するためにメキシカンハット型とスピングラス型の両方の性質を持つモデルをレプリカ法で解析した.このモデルは常磁性相,強磁性相,スピングラス相,局在興奮相の四つの相を持つことがわかった.さらにスピングラス型の相互作用が,局在興奮のドリフトを抑制することを示した.さらに相互作用が学習によって変化する状況をパーシャルアニーリング法で解析した.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2004 - 2007

【配分額】3,810千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 210千円)

【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】16686014 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

脳 / 神経 / ブレイン・コンピュータ・インターフェース / 聴覚 / ニューラルネットワーク / 微小電極アレイ / 聴皮質 / 時空間的情報表現 / 機能構造 / 神経反応 / 可塑性 / 局所電場電位 / ラット

【研究成果の概要】

本研究の目的は,第一に,大脳皮質の時空間的な神経活動に含まれる情報を翻訳する手法を開発することである.すなわち,多点計測した神経信号から,既知の情報を抽出できるシステム伝達関数の推定手法を提供する.第二に,このような神経活動の翻訳が,脳神経系をダイナミックなシステムとして捉える研究手法として有効であることを実証する.
時空間的な神経活動から神経情報処理機構を考察するために,ニューラルネットワークを用いた解析方法を提案した.同ネットワークでは,微小電極アレイを用いて多点同時計測した聴皮質の時空間的神経活動パターンを入力とし,それを誘発した音刺激の周波数の情報を教師情報として用いる.提案手法は,特定の中間層ニューロンの入出力関係を精査することで,神経情報処理機構を考察する.
リカレント型ニューラルネットワークは,フィードフォワード型ネットワークに比べて,汎化能力に長ける.この結果は,神経細胞群が,リカレント型ネットワークのように,過去の情報を記憶しながら,それに応じて活動パターンを時間的に変化させていることを示唆する.
学習したリカレント型ニューラルネットワークについて,各中間層ニューロンの情報処理の特徴と重みを調べたところ,特徴的な中間層ニューロンが現れた.これらの中間層ニューロンの入出力関係に注目したところ,周波数選択性は,すべての周波数帯域からの興奮性入力と低周波数帯域からの抑制性入力に依存していることが示唆された.このことは,従来の生理学的な知見を一致する.これらのことから,提案手法は,時空間的神経活動パターンから,情報処理機構の生理学的な特徴を抽出でき,解析手法として有望であると考える.

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】30,030千円 (直接経費: 23,100千円、間接経費: 6,930千円)