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。

3-D reconstruction of large-scale electrophotography by electron microscopy and analysis of neural circuit transformation by optical microscopy Motor learning is associated with the formation of new rules and the origin of force in the brain. GFP is found in cortical pyramidal cells, and the gene is changed (Thy1-M system). M1's forelimb area is under control, every day, after the topic is straightened, the same pyramidal cell dendrites (10-20 sites) are excited by 2 photons, and the growth and disappearance of the process are observed under microscope. The animals were perfused before learning, during acquisition and during completion, and the sections of M1 forelimb were prepared. VGluT1 (vesicular glutamate transporter type 1; pyramidal terminal), VGluT2 (optic bed-cortical terminal), Homer (excitatory posterior membrane), GFP (pyramidal pathway transporter type 1) were examined by confocal microscopy. In vivo observation, the upper part of the process, the contact of the Homer, the preterminal part of the process, the result of the same determination, the acquisition period, the formation of the new process, the multiple changes of the terminal part of the brain, the origin of the secondary motor field (M2) of the large cortex, the disappearance of the complete period, the origin of the visual bed, the entry force of the terminal part of the brain, the survival of the process, and the emergence of the large process. In addition, the chemical genetics of the method, the two excitatory input circuit activity inhibition results, M1 projection M2 neurons to learn to reach the deep relationship between the middle and the side, M1 projection optic bed neurons to learn the skilled movement of the implementation of the support, the recognition. The results of this research are reported in Science Advances 2022/7.

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

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。

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

Charitie Universitatsmedizin Berlin/Humboldt University of Berlin/Regensburg University(ドイツ)

柏林慈善大学/柏林洪堡大学/雷根斯堡大学（德国）