「回路シフトの制御・可視化・構造解析の効率化に向けた基盤技術の開発」

中枢神経系は認知・思考・記憶・感情といった高次機能を実現していますが、その作動原理は未だ謎のままです。高次機能を実現する素子・構成単位として、神経細胞を想定することは妥当でしょう。しかし神経細胞一つ当たりの情報処理速度は高々1KHz程度が限界であり、神経細胞が構成するネットワークにこそ、高次機能を生み出す原理があると考えられます。

脳機能を解明するに当たり、神経ネットワークのダイナミックな遷移を効率的に制御・可視化・構造解析する基盤技術の整備が望まれるところであります。本研究では『かたちをよくみる』という旗標を掲げ、『回路シフトの形態・構造評価』を的確かつ効率的に実現する技術開発を推進致します。『かたちをよくみる』ことは容易いと軽視されることもありますが、実際には「可視化法・観察法・解析法」といった各要素において高度な技術が要求されます。

(1) 可視化法：私は独自の視点から「可視化法」の技術革新を目指し、遺伝子工学ツールの開発に携わってきました（図A, B; Hioki et al., 2009）。現在はアデノ随伴ウイルスベクター（AAV）を中心に技術開発を継続しており、(a) 細胞種特異的高発現型プラットフォーム開発（図C, D; Sohn et al., in preparation）、(b) キャプシドタンパク改変による新規感染指向性の獲得、(c) 学習前後の神経活動遷移を蛍光標識する新規技術開発に取り組みます。また、神経ネットワークのダイナミックな遷移を人為的に制御する目的で、効率的な神経回路操作を実現するウイルスベクター（光遺伝学・化学伝学的手法）の開発も推進します。

(2) 観察法・解析法：昨今、国内外で続々と開発されている透明化技術は、高速かつ大規模な三次元構造解析を可能にする革新的技術であり、神経回路解析に新たなブレイクスルーをもたらすと期待されています。しかし、透明化された脳組織をいかに活用するかという「真の応用」は未知の領域です。神経回路の効率的標識法から三次元的解析法に至るまで、透明化技術を基軸としながら一つのパッケージとして基礎から開発事業を遂行します。特に「マクロ・メゾ・ミクロ」の各階層を有機的かつ効果的に結びつける「ズームイン・ズームアウト」技術を開発し、必要な形態構造情報を高速に抽出する『ハイスループット形態解析法』の確立を目指します。

 

 
最近の主要論文
1. Hama H, Hioki H, Namiki K, Hoshida T, Kurokawa H, Ishidate F, Kaneko T, Akagi T, Saito T, Saido T, Miyawaki A (2015) ScaleS: an optical clearing palette for biological imaging. Nat Neurosci 18:1518-1529.
2. Nakamura H, Hioki H, Furuta T, Kaneko T (2015) Different cortical projections from three subdivisions of the rat lateral posterior thalamic nucleus: a single-neuron tracing study with viral vectors. Eur J Neurosci 41:1294-1310.
3. Kataoka N, Hioki H, Kaneko T, Nakamura K (2014) Psychological stress activates a dorsomedial hypothalamus-medullary raphe circuit driving brown adipose tissue thermogenesis and hyperthermia. Cell Metab 20:346-358.
4. Hioki H, Okamoto S, Konno M, Kameda H, Sohn J, Kuramoto E, Fujiyama F, Kaneko T (2013) Cell type-specific inhibitory inputs to dendritic and somatic compartments of parvalbumin-expressing neocortical interneuron. J Neurosci 33:544-555.

投稿日:2015年12月20日