iPS細胞とハイスループット測定によるヒト脳シナプス可塑性の直接解析

本研究はヒト由来iPS細胞を中枢ニューロンに分化させた培養細胞どうしでシナプスを形成させ、主として電気生理学的な手法でそのシナプス可塑性の特性を明らかにし、マウスなど他の動物種と異なるシナプス可塑性の特性がヒト中枢ニューロンにかるかどうかを明らかにすることを目指している。初年度は研究の基礎となる2つの方法論を完成させ、さらにヒト特有のシナプスの性質の一端を示唆する結果を得た。一つは上記の方法によって得たヒト中枢シナプス標本のシナプス形成・成熟過程をシナプス・オーガナイザー分子（PTPdelta）のマイクロエクソン選択パターンを指標として詳細に分析し、ヒト胎児の脳波の周波数に近い双極電流パルスを培地に通電することとで、成熟したシナプスを形成することに成功した。また、最終的に成熟した段階のマイクロエクソン選択パターンを解析すると、マウスの成熟中枢シナプスのマイクロエクソン選択パターンと異なっていることが明らかになった。ヒトではマイクロエクソンの選択パターンの違いは発達障害等につながることが知られており、ヒトとマウスのマイクロエクソン選択パターンの相違はヒト特有の学習機能の解明につながる可能性がある。もう一つは人工シナプス測定システムの確立である。このシステムでは、培養ニューロンの樹状突起にイオン泳動でグルタミン酸等を局所投与し、当該ニューロンからパッチクランプ電位固定記憶を行い、シナプス後電流の振幅の変化を長時間にわたり測定できるようにするものである。倒立顕微鏡に自作の大型固定式ステージを装着し、投与電極と記録電極を同等のマイクロマニピュレーターで操作できるようにした。

本研究はヒト由来iPS細胞を中枢ニューロンに分化させた培養細胞どうしでシナプスを形成させ、主として電気生理学的な手法でそのシナプス可塑性の特性を明らかにし、マウスなど他の動物種と異なるシナプス可塑性の特性がヒト中枢ニューロンにかるかどうかを明らかにすることを目指している。初年度は研究の基礎となる2つの方法論を完成させ、さらにヒト特有のシナプスの性質の一端を示唆する結果を得た。一つは上記の方法によって得たヒト中枢シナプス標本のシナプス形成・成熟過程をシナプス・オーガナイザー分子（PTPdelta）のマイクロエクソン選択パターンを指標として詳細に分析し、ヒト胎児の脳波の周波数に近い双極電流パルスを培地に通電することとで、成熟したシナプスを形成することに成功した。また、最終的に成熟した段階のマイクロエクソン選択パターンを解析すると、マウスの成熟中枢シナプスのマイクロエクソン選択パターンと異なっていることが明らかになった。ヒトではマイクロエクソンの選択パターンの違いは発達障害等につながることが知られており、ヒトとマウスのマイクロエクソン選択パターンの相違はヒト特有の学習機能の解明につながる可能性がある。もう一つは人工シナプス測定システムの確立である。このシステムでは、培養ニューロンの樹状突起にイオン泳動でグルタミン酸等を局所投与し、当該ニューロンからパッチクランプ電位固定記憶を行い、シナプス後電流の振幅の変化を長時間にわたり測定できるようにするものである。倒立顕微鏡に自作の大型固定式ステージを装着し、投与電極と記録電極を同等のマイクロマニピュレーターで操作できるようにした。