医学共通講義III 機能生物学入門
生体がどのようにして機能を発揮するかという根源的な問題の解決には、様々な角度からのアプローチを有機的に連結していくことが必要です。本講義では、中枢神経系の機能発現メカニズムを中心として、以下のテーマに関連した研究を紹介し、どこまで解明が進んでいて、今後どのような研究が必要なのかについて解説されます。記憶形成・想起メカニズム、記憶・学習の分子機構、嗅覚神経系の機能発現メカニズム、視覚受容の細胞メカニズム、シナプス伝達調節機構、グルタミン酸受容体の分子機構、細胞内カルシウムシグナル機構、発生・分化の分子機構など。
2020年度
注意：４月１3日、５月１１日、６月８日に予定されていた講義は下記のように年度内に延期となりました。１０月は２回、１１月は３回、１月は２回講義がありますので、注意してください。
講義はオンラインで行われます。抄録とU RLは以下に記載していきます。Zoomには、u-tokyo.ac.jp 或いは umin.ac.jpのメールアドレスでないと入れません。
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Zoom講義では共通講義履修学生は、ビデオをオンにして、名前の後に学籍簿番号を入力してください。これにより出席を取ります。
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2020年6月15日（月） 14:55～16:40
演者：国立精神・神経医療研究センター 神経研究所 関和彦 先生
担当：統合生理学 松崎政紀 教授
https://zoom.us/meeting/register/tJMuc-qurzwtGdOi9Xo2PuhBgThGANEaeHbi
参加にはu-tokyo.ac.jp 又は、umin.ac.jp アカウントをご利用ください。
協調的筋活動の生成と増幅：随意運動の制御における脊髄の新機能
ヒトの身体は約650種類の骨格筋から構成され、個々の筋活動の多様な時空間的組み合わせによって身体運動が実現している。しかし、中枢神経系がどのようにこのようなこの骨格筋の持つ膨大自由度を制御しているのかは明らかでない。私たちは、上肢運動の実現に必要な複数筋のセット（筋シナジー）が脊髄介在ニューロンに表現されており、異なった介在ニューロン活動を組み合わせることにより、多様な種類やサイズの運動が制御されている事を示唆する実験結果を得ている。本講演では、霊長類の手指や上肢運動を対象に、このような随意運動の制御における脊髄神経回路の機能について、最新の知見を紹介する。
参考文献
1) Oya T, Takei T, Seki K (2020) Distinct sensorimotor feedback loops for dynamic and static control of primate precision grip. Communications Biology 3:156.
2) Takei T, Confais J, Tomatsu S, Oya T, Seki K (2017) Neural basis for hand muscle synergies in the primate spinal cord. Proc Natl Acad Sci 114 (32): 8643-8648.
3) Takei T & Seki K (2010) Spinal interneurons facilitate coactivation of hand muscles during a precision grip task in monkeys. J Neurosci 30:17041-50.
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2020年7月13日（月） 中止、来年度に延期
演者：富山大学医学部生化学講座 井ノ口馨 先生
場所：第６セミナー室 担当：分子生物学 後藤 由季子 教授
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2020年10月5日（月） 14:55～16:40
演者：理研 脳科学神経科学研究センター(CBS) 笠原和起 先生
演題：メラトニンのマウスにおける新展開 ～新たな生理学的役割と実験用マウスに起きた進化
Evolutionary profits and losses of melatonin in field mice and laboratory mice
担当：順天堂大学医学部精神科 加藤忠史 教授
オンライン： https://zoom.us/j/91707179700?pwd=NVR4TlhFSmFQeUhoaEwvaEl1alA4dz09
ID: 917 0717 9700 パスコード： 007604
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抄録
メラトニンは、松果体から夜間に分泌されるホルモンであるが、内在性のメラトニンの生理学的役割は不明な点が多い。その理由の一つとして、実験用動物の代表格であるマウスでは多くの系統（C57BL/6やBALB/c、129系統など）がメラトニンの合成能を失っていることが挙げられよう。メラトニンはセロトニンから2段階の酵素反応（AANATおよびHIOMT）によって合成されるが、これらの遺伝子に変異が生じて酵素活性を失っている。また、不思議なことに、マウスHiomt遺伝子はゲノムプロジェクトが完了しても見つからなかった。我々は、dryとwetの技術を駆使してマウスHiomt遺伝子を同定することに成功し、実験用マウスから多くの機能損失変異を見出した。この情報をもとに、メラトニン合成能を有するC57BL/6Jコンジェニックマウス系統を確立し、内在性のメラトニンの役割を調べてきた。本セミナーでは、なぜ実験用マウス系統ではHiomt遺伝子の変異が生じてコロニーに固定されたのか、すなわち、メラトニンが無い方が有利な生理学的理由と変異が生じやすいゲノム上の理由を議論する。また一方、野生のマウスはメラトニン合成能を有しており、野生環境ではメラトニンが無いと生存に不利だと思われる。コンジェニックマウスを用いた解析から最近明らかにしたメラトニンの新たな役割、それも通常の飼育環境では発揮されることがない役割について紹介したい。
参考文献
1) Kasahara, T., Abe, K., Mekada, K., Yoshiki, A., & Kato, T. Genetic variation of melatonin productivity in laboratory mice under domestication. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107: 6412-6417 (2010). DOI: 10.1073/pnas.0914399107
2) Hirota, T., Kagiwada, S., Kasahara, T., Okano, T., Murata, M., & Fukada, Y. Effect of brefeldin A on melatonin secretion of chick pineal cells. J. Biochem. 129: 51-59 (2001). DOI: 10.1093/oxfordjournals.jbchem.a002836
3) 笠原和起. 気になる脳部位：松果体, 分子精神医学, 13, 212-217 (2013).
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2020年10月26日（月） 14:55～16:40
演者：東京大学大学院理学系研究科生物科学 植松 朗 先生
Lecturer：Department of Science, Dr. Akira Uematsu
演題：恐怖記憶を制御するカテコールアミン神経の多様性
Heterogeneous catecholamine circuits for controlling fear memory
担当：脳機能学 榎本 和生 教授
オンライン： https://zoom.us/j/91707179700?pwd=NVR4TlhFSmFQeUhoaEwvaEl1alA4dz09
ID: 917 0717 9700 パスコード： 007604
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抄録
恐怖体験を記憶することは危険を予測し生存確率を上昇するために重要な脳の機能です。一方で、安全な環境で恐怖記憶を繰り返し想起すると、恐怖の記憶が上書きされ恐怖記憶が弱められる、消去と呼ばれる機能があることも知られています。これら恐怖記憶の形成や消去には脳内のドーパミンやノルアドレナリンといったカテコールアミンが関係すると考えられていますが、詳細な神経回路や機能については解明されていませんでした。我々は光遺伝学的手法による回路操作により、恐怖記憶の形成と消去時におけるカテコールアミン神経の時間特異的な役割を解明しました。さらに、各カテコールアミン神経は多様性が存在し、投射部位によって機能が異なることを発見しました。本講演ではこれら知見の概要について紹介させていただくとともに、恐怖記憶の抑制過程を解明する新たな取り組みを紹介します。
参考文献
Luo R, Uematsu A et al., A dopaminergic switch for fear to safety transitions. Nature Communications (2018)
Uematsu A, Tan BZ, et al., Modular Organization of the Brainstem Noradrenaline System Coordinates Opposing Learning States. Nature Neuroscience (2017)
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2020年11月9日（月） 14:55～16:40
演者：銅谷賢治 先生 OIST
Lecturer：Dr. Kenji Doya, OIST
演題：脳内シミュレーションの神経機構
Neural circuit mechanisms of mental simulation
担当：薬学部 池谷裕二 教授
オンライン： https://zoom.us/j/91707179700?pwd=NVR4TlhFSmFQeUhoaEwvaEl1alA4dz09
ID: 917 0717 9700 パスコード： 007604
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抄録
人間の日常の行動の大半は直感的、無意識的なものだが、新たな状況や目標のもとでは、さまざまな行動の結果を予測し評価した上で選択する「脳内シミュレーション」が重要な役割を果たす。行動による身体や外界の状態変化を予測する内部モデルが、脳のどの場所の、どのような神経回路で実現されているのかは、今日の神経科学の重要な課題である。本セミナーではその解明に向けたヒト機能的MRI実験と、マウス２光子イメージング実験の知見を紹介する。
参考文献
Fermin AS, Yoshida T, Yoshimoto J, Ito M, Tanaka SC, Doya K (2016). Model-based action planning involves cortico-cerebellar and basal ganglia networks. Sci Rep, 6, 31378. https://doi.org/10.1038/srep31378
Funamizu A, Kuhn B, Doya K (2016). Neural substrate of dynamic Bayesian inference in the cerebral cortex. Nat Neurosci, 19, 1682-1689. https://doi.org/10.1038/nn.4390
Miyazaki K, Miyazaki KW, Yamanaka A, Tokuda T, Tanaka KF, Doya K (2018). Reward probability and timing uncertainty alter the effect of dorsal raphe serotonin neurons on patience. Nat Commun, 9, 2048. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04496-y
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2020年11月16日（月）14:55～16:40
演者：名古屋大学 小坂田 先生
Lecturer: Dr. Fumitaka Osakada
演題：神経回路を標識する狂犬病ウイルスベクターの開発とその応用
Development and application of recombinant rabies virus vectors
担当：統合生理学 大木研一
オンライン： https://zoom.us/j/96755030019?pwd=Skx4enI3ZmQzcEFJcVdpeFFvYXBMUT09
ミーティングID: 967 5503 0019 パスコード: 091779
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抄録
ニューロンが神経回路を形成し、情報を伝達・処理することで、我々の高次脳機能は実現されている。神経回路の構造と機能を明らかにすることは、脳機能の理解や神経・精神疾患の克服に重要と考えられる。我々は、特異的な神経回路を標識するために、シナプスを介してウイルス感染が起こる狂犬病ウイルスベクターの開発に取り組んできた。本セミナーでは、狂犬病ウイルスベクターの開発と視覚神経回路への適用について紹介する。
参考文献
Osakada et al., Neuron, 2011
Suzuki et al., Front Neural Circuits, 2020
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2020年11月30日（月）14:55～16:40
演者：慶應大学医学部 田中謙二 先生
Lecturer: Prof. Kenji Tanaka
演題：脳機能の観察と操作
Observation and manipulation of brain functions.
担当：細胞分子生理学 松崎政紀
オンライン： https://zoom.us/j/95201334564?pwd=Mk52V1NCd0FYR1AzK3A0QXo1UVFpdz09
ミーティングID: 952 0133 4564 パスコード: 066899
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抄録
いきなり研究をやれと言われて何をやるか。まず観察する、見てみることになるだろう。ただひたすら観察しなさいという教授の一言で、賢しらな君たちはすぐに飽きる。なぜなら、観察をいくら繰り返しても、原因と結果の順序を解明できないからだ。因果に迫るには操作が必要になる。となると、観察と操作の両方をやってみてはじめて研究が面白くなりそうだ。観察する技術も、操作する技術も極めようと思うと果てしない。そうすると一生研究しないといけない。それは将来何にでもなることができる君たちにとっては苦痛だ。私も、基礎教室に進んで修行僧のような生活をするのが嫌で精神科に入局した。精神科に入って分かったことは、何かを知りたいと思って勉強を進めると、分かっていることはごく一部で、分かっていないことが如何に多いかという事実であった。更に知りたければ自分で明らかにしないといけない。明らかにする対象が、基礎的なことであれ、臨床的なことであれ、観察と操作（介入）を繰り返していくことは同じであることが分かった。知りたいことが明確になれば、修行僧のような生活もやれるようになるというのが私の答えだ。当日は、意欲行動の神経基盤を理解する試みについて話す。
参考文献
1) Cell Rep. 2020 Jun 30;31(13):107829. doi: 10.1016/j.celrep.2020.107829.
2) Nat Neurosci. 2019 May;22(5):770-777. doi: 10.1038/s41593-019-0376-5.
3) Curr Biol. 2017 Oct 9;27(19):3042-3048.e4. doi: 10.1016/j.cub.2017.08.061.
4) J Neurosci. 2017 Mar 8;37(10):2723-2733. doi: 10.1523/JNEUROSCI.3377-16.2017.
5) Nat Commun. 2017 Feb 1;8:14304. doi: 10.1038/ncomms14304.
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2020年12月21日（月） 14:55～16:40
演者：東京本学大学院工学研究科 小関泰之 先生
演題：誘導ラマンイメージングとその応用
Stimulated Raman imaging and its applications
担当：細胞分子薬理学 廣瀬 謙造 教授
オンライン： https://zoom.us/j/93320666307?pwd=S3BDV0xiM25VUys5RFJxckxDKzVIdz09
ID:933 2066 6307 パスコード： 676060
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抄録
誘導ラマンイメージングは、2色の光パルスを用いて分子振動を高感度に検出し画像化する手法であり、生体の無標識イメージング、代謝イメージング、超多色イメージングなどの新しい応用を生みつつある。本セミナーでは、誘導ラマンイメージングの原理と実際について説明したのち、 いくつかのイメージング例を紹介する。
参考文献
１）Y. Ozeki et al., "High-speed molecular spectral imaging of tissue with stimulated Raman scattering," Nature Photon., vol. 6, pp.
845-851, 2012.
２）Y. Suzuki et al., "Label-free chemical imaging flow cytometry by high-speed multicolor stimulated Raman scattering," Proc. Natl. Acad.
Sci. U.S.A., vol. 116, no. 32, pp. 15842-15848, 2019.
３）Y. Ozeki, "Molecular vibrational imaging by stimulated Raman scattering microscopy: principles and applications," Chin. Opt. Lett.,
vol. 18, p. 12170, 2020.
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2021年1月18日（月） 14:55～16:40
演者： 玉川大学脳科学研究所 田中研究室 川口泰雄 先生
タイトル： 前頭皮質ニューロン構成と標準回路
Title: Neocortical neuron types and canonical circuits
オンライン： https://zoom.us/j/99041829000?pwd=NkZPVExLYngrNEFqZTVZenp0YXFSdz09
ミーティングID: 990 4182 9000 パスコード: 105807
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Zoom 担当：システムズ薬理学 上田 泰己 教授
抄録
私は研究を始めた頃に、海馬でカルシウム結合蛋白質のパルブアルブミンを発現する抑制性細胞が他の細胞と異なる電気生理学的・形態学的特徴を持つことを見つけました。それをきっかけに、大脳回路の機能を投射・介在あるいは興奮・抑制ニューロンという枠組みを超えて、それぞれのサブタイプの役割から理解したいと考えるようになりました。これを目指して形態・生理相関や光顕・電顕相関の手法を使って、前頭皮質や線条体の介在ニューロンの基本的サブタイプを同定し、初期の体系的なサブタイプ分類を確立するとともに、それらのシナプス標的構造を解析しました。錐体細胞では、その投射サブタイプ間のシナプス結合様式を解析した結果、前頭皮質の局所回路が大脳のシステム回路の多様性に対応して細分化していることが分かってきました。この機会に、これまでの研究を振り返り、大脳皮質局所回路に関して思うことをお話しさせていただこうと思います。
参考文献
Kawaguchi Y (2017) Pyramidal cell subtypes and their synaptic connections in layer 5 of rat frontal cortex. Cereb Cortex 27: 5755–5771.
Kawaguchi Y, Otsuka T, Morishima M, Ushimaru M, Kubota Y (2019) Control of excitatory hierarchical circuits by parvalbumin-FS basket cells in layer 5 of the frontal cortex: insights for cortical oscillations. J Neurophysiol 121:2222–2236.
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2021年1月25日（月） 14:55～16:40
演者：名古屋大学環境医学研究所 山中章弘 先生
演題：睡眠覚醒を調節する神経回路の動作原理解明
Circuit bases of sleep-wake cycle
オンライン https://zoom.us/j/97053615830?pwd=Smg2eFBQUnJ1MXE4ZEljRnJqb0VYdz09
ミーティングID: 970 5361 5830 パスコード: 600485
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Zoom 担当：神経生理学 狩野 方伸 教授
抄録
地球上の生物は地球の自転による明暗周期に同調した内的リズム発振機構を有しており、体内時計とも呼ばれている。体内時計のリズムに応じて活動期と休息期が決定されており、ほ乳類では、覚醒と睡眠が調節されている。しかし、これまで体内時計のリズムを睡眠覚醒に反映するための神経回路については良く分かっていなかった。体内時計の中枢は、視床下部の一部である視交叉上核と呼ばれる脳領域に存在し、視交叉上核の破壊で内的リズムはほとんど失われる。一方、睡眠覚醒は視床下部や脳幹部に存在する神経によって調節されている。特に、視床下部のオレキシン産生神経は、覚醒維持に重要な役割があり、同神経の特異的脱落によって、覚醒を維持できずにいつでもどこでも眠ってしまう睡眠障害「ナルコレプシー」を発症することが分かっている。今回我々は、視交叉上核のGABA作動性神経が、視床下部室傍核のコルチコトロピン放出因子(PVN-CRF)産生神経の活動を抑制し、PVN-CRF神経がオレキシン神経活動を調節することで体内時計のリズムを睡眠覚醒調節に反映させていることを同定した。本講義では、体内時計のリズムを睡眠覚醒調節に反映させる神経回路について最新の知見を紹介する。
参考文献
1. *Ono D, Mukai Y, Hung CJ, Chowdhury S, Sugiyama T, *Yamanaka A. The mammalian circadian pacemaker regulates wakefulness via CRF neurons in the paraventricular nucleus of the hypothalamus. Sci Adv, 2020; Vol. 6, no. 45, eabd0384.
2. Mukai Y, Nagayama A, Itoi K, *Yamanaka A. Identification of substances which regulate activity of corticotropin-releasing factor-producing neurons in the paraventricular nucleus of the hypothalamus. Sci Rep, 2020; 10(1): 13639.
3. Hung CJ, Ono D, Kilduff TS, *Yamanaka A. Dual orexin and MCH neuron-ablated mice display severe sleep attacks and cataplexy. eLife, 2020; 9:e54275.
4. Izawa S, Chowdhury S, Miyazaki T, Mukai Y, Ono D, Inoue R, Ohmura Y, Mizoguchi H, Kimura K, Yoshioka M, Terao A, Kilduff TS, *Yamanaka A. REM sleep–active MCH neurons are involved in forgetting hippocampus-dependent memories. Science, 2019; 365: 1308-1313.
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