研究内容

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はじめに

衝動性制御、記憶、推論などの高次認知機能や、不安、恐怖、喜び、気分の落ち込みなどの情動は、ヒトという生物を語る上で欠かせない精神機能です。これらの精神機能があるからこそ私たちは生存することができ、またそれが故に苦しむ、とも言えるでしょう。これらの精神機能は無数のニューロン(神経細胞)によって構成される脳という臓器によって支えられており、したがって脳機能の異常と精神疾患との間には密接な関係があります。  このような精神機能は脳内において、”ニューロンから遊離された神経伝達物質→受容体→ニューロンの活動変化→神経回路機能の変化”という一連の情報伝達によって制御されます。当研究室では、特に上記の高次認知機能や情動に注目し、その脳内メカニズムを物質レベルで解明することを目指しています。これらの認知・情動機能に関与すると考えられている神経伝達物質はいくつかありますが、当研究室では主にセロトニンを含むモノアミン神経伝達物質に着目して研究に取り組んでいます。またさらに、このような研究によって得られた知識を基に精神疾患の動物モデルを作製し、新しい精神疾患治療薬の探索および既存薬の作用機序解明に取り組んでいます。
 私たちの研究は、ヒトという生き物への理解を深め、精神疾患の治療法発展に寄与することを目指しています。

Themes

研究内容

1. 衝動性の神経基盤と治療薬探索

極めて簡単に言うなら、衝動性とは「理性よりも欲望に従う傾向」と言えるでしょう。この傾向が強いと、薬物依存、犯罪、自殺のリスクが高まると言われています。高い衝動性が統合失調症、躁うつ病、注意欠陥・多動性障害などの精神疾患の一症状として表出することもあれば、治療薬の副作用として生じることもあります。このように、衝動性を支える神経基盤の解明は、副作用の少ない精神疾患の治療薬開発のために重要なテーマです。  私たちはこれまでに内側前頭前野腹側部が衝動性制御に重要な脳部位であることを見出してきました。また、抗うつ薬の1つであるミルナシプランが衝動性を抑制することを動物実験によって見出し、その作用機序を明らかにしてきました。現在は以上の知見を基に、内側前頭前野腹側部を破壊した動物を衝動性亢進モデルとして治療薬開発を目指しています。
 

衝動性の回路

代表的論文

Tsutsui-Kimura I, Ohmura Y, Izumi T, Yamaguchi T, Yoshida T, Yoshioka M.

The effects of serotonin and/or noradrenaline reuptake inhibitors on impulsive-like action assessed by the three-choice serial reaction time task: a simple and valid model of impulsive action using rats. Behav Pharmacol. 2009 Sep;20(5-6):474-83.

げっ歯類を用いた衝動的行動(自己制御能力の欠如)を評価する方法として、3-選択反応時間課題を開発しました。さらに、抗うつ薬の一つであるミルナシプラン(セロトニン-ノルアドレナリン再取り込み阻害薬)が衝動的行動を抑制することを明らかにしました。

Tsutsui-Kimura I, Ohmura Y, Izumi T, Kumamoto H, Yamaguchi T, Yoshida T, Yoshioka M.

Milnacipran enhances the control of impulsive action by activating D(1)-like receptors in the infralimbic cortex. Psychopharmacology (Berl). 2013 Jan;225(2):495-504.

 ミルナシプランの衝動性抑制作用が内側前頭前野腹側部のドパミンD1様受容体の刺激によるものであることを明らかにしました。

Tsutsui-Kimura I, Ohmura Y, Izumi T, Yamaguchi T, Yoshida T, Yoshioka M.

Nicotine provokes impulsive-like action by stimulating alpha4beta2 nicotinic acetylcholine receptors in the infralimbic, but not in the prelimbic cortex. Psychopharmacology (Berl). 2010 May;209(4):351-9.

タバコの主成分の1つであるニコチンの衝動性亢進作用が内側前頭前野腹側部のα4β2ニコチン性アセチルコリン受容体の刺激によるものであることを明らかにしました。

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2. 不安・恐怖の神経基盤と治療薬探索

不安や恐怖は危険から身を守るための機能であり、本来は生存に必須の情動機能です。しかし、生命を脅かすような強いストレス(戦争、大地震、津波など)にさらされた場合にはこの機能が過剰に亢進してしまい、不安障害を発症してしまうことがしばしば生じます。不安や恐怖を強く感じながら生活していくことの苦痛は想像に難くないものです。このように、不安・恐怖を支える神経基盤の解明と科学的知見に基づいた治療法の開発はQuality of Life(生活の質)を向上させるために必須のものです。  私たちはこれまでにセロトニン神経の起始核から海馬や扁桃体への神経連絡が不安や恐怖に重要であることを見出してきました。現在はさらに神経回路の詳細を明らかにすると同時に、恐怖を抑える神経回路の解明にも取り組んでいます。

 
不安・恐怖の回路

代表的論文

Ohmura Y, Izumi T, Yamaguchi T, Tsutsui-Kimura I, Yoshida T, Yoshioka M.

The serotonergic projection from the median raphe nucleus to the ventral hippocampus is involved in the retrieval of fear memory through the corticotropin-releasing factor type 2 receptor. Neuropsychopharmacology. 2010 May;35(6):1271-8.

ラットが恐怖記憶を想起する際には、正中縫線核のコルチコトロピン遊離因子タイプ2 (CRF2) 受容体が活性化され、海馬の腹側部におけるセロトニン遊離量が増加することを神経化学的手法・行動薬理学的手法を組み合わせて明らかにしました。

Shikanai H, Yoshida T, Konno K, Yamasaki M, Izumi T, Ohmura Y, Watanabe M, Yoshioka M.

Distinct neurochemical and functional properties of GAD67-containing 5-HT neurons in the rat dorsal raphe nucleus. J Neurosci. 2012 Oct 10;32(41):14415-26.

背側縫線核に発現するセロトニン(5-HT)とGABA合成酵素(GAD67)の両方を含有している神経細胞(5-HT/GAD67 ニューロン)は、生後3~4 週齢の離乳期に一過性に出現することが明らかになりました。5-HT/GAD67 ニューロンは、5-HTのみを含有するニューロン(5-HTニューロン)よりも活動電位を生じる頻度が低いこと、合成したGABA を一般的なシナプス伝達には利用せず、GABA トランスポーター1(GAT1)によってGABA 遊離や取り込みを調節することで、ニューロンの過剰興奮やそれに伴う障害を抑制している可能性が示唆されました。さらに、5-HT ニューロンは身体に危害が及ぶ危険や恐怖に対する重度のストレスに反応しやすいのに対し、5-HT/GAD67 ニューロンは、新奇環境から受ける軽度の不安ストレスに反応しやすいことを明らかにしました。

Yoshida T, Uchigashima M, Yamasaki M, Katona I, Yamazaki M, Sakimura K, Kano M, Yoshioka M, Watanabe M.

Unique inhibitory synapse with particularly rich endocannabinoid signaling machinery on pyramidal neurons in basal amygdaloid nucleus. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 Feb 15;108 (7) 3059-3064

恐怖記憶の消去に関与する扁桃体シナプスを発見しました。このシナプスは陥入構造を持つユニークなシナプス(陥入型シナプス)であり、ここには脳内マリファナの合成酵素や受容体などの情報分子が高度に集積し、抑制性シナプス伝達にブレーキがかかり易いことが判明しました。

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3.うつ状態の神経基盤と治療薬探索

近年のうつ病患者・自殺者数の増加は深刻な社会問題となっています。さらに、うつ病患者の約2割は従来の抗うつ薬が効かない難治性であると言われています。うつ病の蔓延は人々のQuality of Life(生活の質)を著しく低下させるだけでなく、多大な社会経済的損失を生じさせます。気分の落ち込みや喜び、やる気の喪失などに代表されるうつ症状の神経基盤を解明し、科学的知見に基づいた治療法を開発することは、現代社会において喫緊の課題であると言えます。

 

代表的論文

Ohmura Y, Tsutsui-Kimura I, Sasamori H, Nebuka M, Nishitani N, Tanaka KF, Yamanaka A, Yoshioka M.

Different roles of distinct serotonergic pathways in anxiety-like behavior, antidepressant-like, and anti-impulsive effects. Neuropharmacology, 167:107703, 2020.

マウスの示すうつ様行動に関わるセロトニン神経経路を特定しました。背側縫線核から腹側被蓋野へのセロトニン神経投射が関与しており、この経路を活性化するとマウスは苦境にあっても簡単にはあきらめないようになりました。

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4. 先端的イメージング技術を用いた発達障害・精神疾患の神経回路病態の解明

発達障害や精神疾患における神経回路機能の異常を明らかにするには、行動中の動物の脳活動を大規模かつ高解像度に計測することが不可欠です。そこで我々は、実世界あるいはバーチャルリアリティ環境で行動課題を遂行する脳疾患モデルマウスの神経回路活動異常を二光子レーザー顕微鏡や蛍光内視顕微鏡を用いた機能イメージングで可視化し、その異常を薬理学的に回復させる研究を進めています。

 

代表的論文

Sato M, Mizuta K, Islam T, Kawano M, Sekine Y, Takekawa T, Gomez-Dominguez D, Schmidt A, Wolf F, Kim K, Yamakawa H, Ohkura M, Lee MG, Fukai T, Nakai J, Hayashi Y.

Distinct mechanisms of over-representation of landmarks and rewards in the hippocampus. Cell Rep, 32(1), 107864, 2020

自閉スペクトラム症のモデルマウスの一つであるShank2欠損マウスがバーチャルリアリティ環境で空間学習を行うときの海馬の活動を、二光子レーザー顕微鏡を用いたカルシウムイメージングで観察しました。Shank2欠損マウスは正常マウスに比べて報酬をより多く獲得し、ゴールを目指す行動が亢進していました。Shank2欠損マウスの場所細胞地図では、ランドマーク地点で応答する場所細胞の割合の増加が失われていた一方で、報酬地点で応答する場所細胞の割合は正常マウスよりもさらに増加していました。したがって、ランドマークと報酬という2つの異なる特徴をコードする場所細胞の増加が異なる分子メカニズムで起こることが明らかになりました。

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Methods

研究手法


 

行動薬理学

衝動性や注意機能を評価する3選択反応時間課題、恐怖記憶に基づく不安を評価する文脈的恐怖条件付け試験、生得的な恐怖に対する不安水準を評価する高架式十字迷路試験など、多くの行動試験を用いて、中枢神経系に作用する薬物の効果を測定しています。
 


 

光遺伝学

光受容体であるチャネルロドプシン2を特定の神経細胞(私たちはセロトニン神経細胞)に選択的に発現させることで、特定種類、特定部位の神経活動を操作可能にし、行動との因果関係を同定します。例えば上記の行動課題遂行中に神経活動を光遺伝学的に操作すると、動物の行動が劇的に変化することがあります。
 


 

イメージング

脳の深部を高解像度で観察することのできる蛍光共焦点内視顕微鏡や二光子レーザー顕微鏡を用いて、動物が実世界環境やバーチャルリアリティ環境で行動課題を遂行するときの神経回路活動を、蛍光カルシウムセンサータンパク質を用いたカルシウムイメージングなどの神経活動イメージングにより細胞レベルやシナプスレベルで観察します。
 


 

ゲノム編集

DNA二重鎖切断酵素であるCas9と相補配列とsgRNAの複合体によって、標的の遺伝子配列を切断します。その結果特定のタンパク質の機能的ノックアウトが生じるので、その結果として動物の行動がどのように変化するのかを観察します。
 


 

神経化学

脳内に埋め込んだ透析膜プローブより回収した各種の神経伝達物質(モノアミンやアミノ酸など)を、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)によって分離し、定量解析します。
 


 

神経解剖学

特異的抗体を用いて機能分子の脳内分布を解析します。
 

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