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研究内容

中枢神経回路の改編機構

発達過程において、脳の神経回路は経験や環境の影響を強く受けて、その配線を柔軟に変えています。
シナプスを例にとると、一旦は過剰に形成されたシナプスは、感受性の高い時期(臨界期)に外界の影響を大きく受け、必要なシナプスは強化され、不要なものは除去されるという過程を経ています。こうして外界に適した神経回路が形成されると考えられています。

このような脳の柔軟性は、ヒトの視覚能力、母語や絶対音感の獲得にも関わるとされており、健やかで機能的な神経回路の形成に必須のメカニズムと考えられています。
一旦成熟した神経回路も、固定したものではなく柔軟性を持っています。例えば、四肢切断などで末梢神経が損傷を受けると、上位中枢の神経回路の再改編が起こります。これは、脳が持つ代償機能の一種と考えられていますが、「幻肢覚」などの病態とも深く関連することが示唆されています。

我々は、これら発達期および神経損傷後の神経回路の改編機構と動作原理をシナプスレベルで調べることで、脳が持つ柔軟性のメカニズムを明らかにすることを目指しています。そして、健やかな脳の発達・臨床神経学の分野に貢献したいと願っています。

以下で、私の研究室で現在行われている研究を紹介します。

体性感覚シナプスの生後発達機構

 げっ歯類においてヒゲは主要な感覚器の一つであり、ヒゲからの感覚入力は三叉神経核を経て内側毛帯線維を介し、視床VPm核へ送られる。VPmニューロンは生後発達の初期には多数の内側毛帯線維からシナプス入力を受けるが、成熟時にはただ1本の内側毛帯線維に支配されることが知られている。このような神経回路の再構成は、個々のニューロンが外部環境に対応した機能的な神経回路を構築する上で重要な役割を果たすと考えられている。当研究室では発達期に起こる内側毛帯―VPmニューロンのシナプス除去の分子細胞メカニズムを解明するため、電気生理学的手法およびノックアウトマウスやウイルスによる機能阻害法を用いた解析を行う。


図: 生後発達に伴う内側毛帯シナプスの除去過程模式図

神経損傷時における上位中枢神経回路のリモデリング機構

 体性感覚情報は感覚神経終末で受容され、脊髄または脳幹、その後視床を介して大脳皮質に達する。感覚神経が傷害されるとこの体性感覚経路の各レベルで遺伝子の発現変化や神経胞細の萎縮などが生じ、それらが機能的リモデリング(受容野変化等)の基盤となっていると考えられる。しかしながら、感覚神経損傷後の上位中枢におけるシナプス・回路レベルの変化はあまり知られていない。我々は体性感覚視床の中継細胞に入力する2種類の興奮性シナプス入力および1種類の抑制性シナプス入力に注目し、主に電気生理学的な手法を用いてこれらのシナプスのリモデリング機構を研究している。


図: 体性感覚視床(腹側基底核群)における神経回路模式図

神経損傷時における体部位地図の変容動態の解明

光遺伝学的手法を用いた刺激システムや内因性シグナルを用いたin vivo長期イメージングとシリコンプローブを用いたin vivo 16ch多点記録により体部位地図の変容動態を時空間的に解明することで、体部位地図の変化と疼痛の発生メカニズムの関連を調べている。


図: 体性感覚野(ヒゲ領域)の可視化


図: 光遺伝学の手法を用いたレーザー刺激装置

幹細胞を用いた末梢神経再生プロジェクト

 近年、損傷した末梢神経を再生させることが可能となってきたが、損傷神経を素早く再生し、かつ機能的にも十分に回復させるためにはまだまだ技術的な革新が必要である。そのため、当院の形成外科、口腔外科、東京大学形成外科、本学の先端生命医科学研究所(TWIns)との共同研究で幹細胞を用いた末梢神経再生研究を行い、再生神経の機能解析を定量的に行いながら、より効率的な神経再生方法を探っている。