Correlated LM and EM analysis of cortical microcircuit remodeling during learning

学习过程中皮质微电路重塑的相关 LM 和 EM 分析

• 批准号: 19H03336
• 负责人: 窪田 芳之
• 金额: $ 11.07万
• 依托单位: National Institute for Physiological Sciences
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-01 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19H03336/
• 关键词: 大脳皮質; 運動学習; 神経回路; リモデリング; 光顕電顕相関; 光顕-電顕相関法; 記憶; 可塑性; 視床; 再編成; 光顕-電顕相関; CLEM

電子顕微鏡による大規模電顕画像３次元再構築処理法と光学顕微鏡観察法を相関させ、マウスの運動学習に伴う大脳皮質第一次運動野（M1)の神経回路変化を解析した。運動学習に伴い形成される新規のシナプス入力の由来が大脳皮質錐体細胞であるか視床の神経細胞であるかを明らかにした。大脳皮質錐体路細胞にGFPが発現する遺伝子改変マウス（Thy1-M系統）を用いて、種掴み運動課題を、毎日30分間10日間にわたり学習させた。M1の前肢領域上に頭蓋窓を作製し、毎日、課題トレーニング直後、同一の錐体細胞樹状突起セグメント（10-20箇所）を２光子励起顕微鏡下で生体観察し、棘突起の新生と消失を観察した。学習前、習得期、完成期の動物を灌流固定し、M1前肢領域の脳切片を作成する。VGluT1（vesicular glutamate transporter type 1; 錐体細胞の神経終末マーカー）、VGluT2（視床-皮質神経終末マーカー）、Homer（興奮性シナプス後膜マーカー）、GFP（錐体路細胞蛍光マーカー）に対する蛍光４重染色を行い、共焦点レーザー顕微鏡で観察した。生体観察した棘突起上で、Homerに接触するシナプス前終末マーカーを同定した結果、習得期には、新生棘突起にシナプスを形成する神経終末の多くが、大脳皮質２次運動野（M2）由来であること、完成期にはそれが消失するが、視床由来の神経終末の入力を受けている棘突起は残存し、大きくなっていることを見出した。さらに、化学遺伝学的手法で、その２つの興奮性入力経路の活動抑制した結果、M1投射M2神経細胞が学習の上達に深く関与している一方、M1投射視床神経細胞がその熟練運動の遂行を担っていることを認めた。本研究成果をまとめ、Science Advancesに2022/7に論文報告した。

我们将大规模电子显微镜图像三维重建方法与电子显微镜和光学显微镜观察方法相关联，以分析与小鼠运动学习相关的大脑皮层（M1）的原发性运动皮层（M1）的神经回路变化。我们已经确定了由运动学习形成的新型突触输入是源自皮质锥体细胞还是丘脑神经元。遗传改性的小鼠（THY1-M系）（在脑锥体区域中表达GFP）被用来训练该物种每天抓住运动任务10天，持续30分钟。在M1的前肢区域中创建了一个颅窗，并且在任务训练后每天立即观察到相同的锥体细胞树突状片段（10-20个位置），在两光子激发显微镜下观察了棘突过程的新生成和消失。这些动物被灌注并固定在学习，精通和完整的阶段，并创建了M1前肢区域的大脑部分。荧光二次染色是在VGLUT1（vesical谷氨酸转运蛋白1型；锥虫细胞的神经末端标记），vglut2（丘脑神经终端标记），荷马（兴奋性后触觉膜标记）和gfp（pyramid cyroresal and and pyramidal crarker crarkeral croment ancteral ancteral and）显微镜。由于确定了在有机体中观察到的棘突中与荷马接触的突触前末端标记的结果，我们发现，在收购阶段，许多在新遗传过程中形成突触的神经末端是从棘突中衍生而成的，它们源自它们的次要运动阶段，并消失了尾部corterex（M2）的端子，但该阶段的末端是终点。从丘脑留下来，生长更大。此外，由于使用化学遗传技术抑制了这两种兴奋性输入途径的活性，因此发现M1投射M2神经元深深地参与了改善学习的研究，而M1投射丘脑神经元负责执行其熟练运动。总结了这项研究的结果，并于2022年7月向科学进展报告。

项目成果

Anatomical and Functional Connectivity at the Dendrodendritic Reciprocal Mitral Cell-Granule Cell Synapse: Impact on Recurrent and Lateral Inhibition.

• DOI: 10.3389/fncir.2022.933201
• 发表时间: 2022
• 期刊: Frontiers in neural circuits
• 影响因子: 3.5

UNI-EM: An Environment for Deep Neural Network-Based Automated Segmentation of Neuronal Electron Microscopic Images

• DOI: 10.1038/s41598-019-55431-0
• 发表时间: 2019-12-19
• 期刊: SCIENTIFIC REPORTS
• 影响因子: 4.6
• 作者: Urakubo, Hidetoshi;Bullmann, Torsten;Ishii, Shin
• 通讯作者: Ishii, Shin

Receptor and Ion Channel Detection in the Brain

大脑中的受体和离子通道检测

• 发表时间: 2021
• 作者: 孫在隣;窪田芳之;川口泰雄;Kubota Y
• 通讯作者: Kubota Y

「学んだ」ことが「身につく」ときの脳の変化, 運動学習で大脳皮質神経回路が変化し学習記憶が進む

当“习得”的东西被“附加”时，大脑会发生变化；运动学习会改变大脑皮层神经回路，促进学习和记忆。

Inst Res Fundamental Sciences(イラン)

基础科学研究所（伊朗）