視床皮質投射の層特異的な軸索枝分かれ形成における神経活動の役割

神经活动在丘脑皮质投射的层特异性轴突分支中的作用

基本信息

批准号：
08J03684
负责人：
早野泰史
金额：
$ 0.77万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2008
资助国家：
日本
起止时间：
2008 至 2010
项目状态：
已结题

项目摘要

発生期に神経細胞は軸索末端で枝分かれを形成し、これにより結合のパターンや強度を変化させる。我々は視床-大脳皮質投射軸索の枝分かれ形成に着目し、分子メカニズムの解明を目指している。これまでの研究から視床皮質軸索は標的層(4層)特異的かつ神経活動依存的に枝分かれを形成することが明らかにされているが、その両方の特異性を制御するような分子は同定されていなかった。本研究では、標的層特異的、神経活動依存的にその発現量を変化させる遺伝子としてNetrin-4を同定した。大脳皮質内でのNetrin-4の遺伝子発現の発達による変化を調べたところ、netrin-4は大脳皮質4層を含む視床皮質投射の標的層で特異的に発現し、神経活動が活発になる生後2週目からその発現量が増加することが分かった。またスライス共培養法を用いてin vitroで再現した視床皮質投射内での軸索動態から、Netrin-4タンパク質に軸索枝分かれ形成を促進させる働きがあることがわかった。さらにnetrin-4ノックアウト動物の視床皮質投射を解析したところ、特異的マーカータンパク質5HTTの視床軸索末端での発現量が減少しており、軸索突起形成が減少している可能性が示唆された。(これらの研究結果については2009年神経科学大会においてポスター発表を行いました。)以上の結果から、神経活動がNetrin-4の遺伝子発現を介して視床軸索の層特異的な枝分かれ形成を制御することが示唆された。本研究で得られた実験成果は、可塑的な神経回路形成メカニズムに関して最も研究の進んだ実験系の一つである視床皮質投射系において、初めて神経活動依存的に軸索突起形成を制御する具体的な分子を明らかにすることが出来たという点で画期的な研究結果であると考えられる。ファミリータンパク質のNetrin-1は発生初期で軸索誘導因子として働くことが知られているが、今回同定したNetrin-4は発達後期において神経活動と連携して可塑的な神経回路形成にも関与していることを示せたという点でも非常に興味深い研究であると言える。

在新生阶段，神经元在轴突末端形成分支，从而改变了结合的模式和强度。我们专注于丘脑脑皮质投射轴突的分支形成，并旨在阐明分子机制。先前的研究表明，丘脑皮质轴突以目标层（第4层）特异性和神经活动依赖性方式形成分支，但是尚未鉴定出调节两者特异性的分子。在这项研究中，Netrin-4被确定为以目标层特异性和神经活动依赖性方式改变其表达水平的基因。当我们研究由于发育引起的脑皮质中Netrin-4基因表达的变化时，我们发现Netrin-4在丘脑皮质投影的靶标中特异性表达，包括大脑皮层的第四层，其表达水平从第二周的表达水平增加，而神经活动变得更加活跃。此外，使用切片共培养在体外重现的丘脑皮质投影中的轴突动力学表明，Netrin-4蛋白具有促进轴突分支形成的功能。此外，分析了Netrin-4基因敲除动物的丘脑皮质投射，并建议减少丘脑轴突末端的特定标记蛋白5HTT的表达水平，这表明可以降低轴突突起的形成。（这些研究结果在2009年神经科学会议的海报介绍中介绍。）这些结果表明，神经活动通过Netrin-4的基因表达来调节丘脑轴突的层特异性分支形成。在这项研究中获得的实验结果被认为是开创性的研究结果，这是第一次可以阐明特定的分子，这些分子以丘脑皮层投影系统以神经活动依赖性方式调节轴突投射形成，这是对塑料神经形成机制的最先进的实验系统之一。在发育的早期阶段中，家族蛋白Netrin-1被称为轴突诱导因素，但是可以说这项研究非常有趣，因为它已经能够表明它与后期阶段的神经活动结合了塑性神经回路的形成。