神経細胞制御学

Molecular and Cellular Neuroscience

基礎医学, 分子生物学・細胞生物学, 神経科学

光で脳を制御し、光を用いて計測する

医科学専攻

  • 修士課程/博士課程

教員構成

この分野の研究テーマ

  • シナプス形成・再構築制御機構の解明
  • オプトジェネティクスによる細胞機能光操作

研究キーワード

オプトジェネティクス, チャネルロドプシン, シナプス, 触覚パターン, ネットワーク再構成

技術キーワード

オプトジェネティクス, Ca<sup>2+</sup>イメージング, 分子生物学, 電気生理, パッチクランプ

分野の紹介

緑藻類の1種のクラミドモナスの光受容チャネル(チャネルロドプシン)を神経細胞に発現させることにより、神経細胞の活動を光で制御できる技術を世界に先駆けて開発しました(特願2005-34529:2005年2月10日出願)。チャネルロドプシンの構造-機能連関を研究し、膜発現、吸収波長、チャネル特性などを制御している構造の解明に取り組んでいます(J Biol Chem 2009; Photochem Photobiol Sci, 2009; PLoS ONE, 2010; Neurosci Res, 2012; PLoS ONE, 2015; Nature, 2015)。また、光を皮膚で触覚として受容できるトランスジェニックラットを創出しました(PLoS ONE, 2009; 2012)。エレクトロポーレーション法を発展させ、さまざまな遺伝子産物の組合せを、ニワトリ胚のカリックスシナプス前終末に発現させる手法を確立しました (PLoS ONE, 2013)。
私たちは、発達期や成体において、神経細胞のネットワークが「環境」や「経験」により変化するメカニズムを分子のレベルで解明したいと考えています。また、光を皮膚で触覚として受容できるトランスジェニックラットを用いて、触覚パターンの脳内表現の解明に取り組んでいます。これら基礎研究の成果を応用することで、光を使って脳と直接情報をやり取りするブレイン・マシン・インターフェース(BMI)技術が生まれることでしょう。

Figure 1 後根神経節のChR2発現ニューロン(緑)
Figure 1 後根神経節のChR2発現ニューロン(緑)
Figure 2 発達期毛様体神経節のブレインボウ画像
Figure 2 発達期毛様体神経節のブレインボウ画像

主な論文

  • Yawo, H., Asano, T., Sakai, S., Ishizuka, T. (2013) Optogenetic manipulation of neural and non-neural functions. Dev Growth Differ. 55(4):474-490. doi: 10.1111/dgd.12053
  • Kato, H. E., Inoue, K., Abe-Yoshizumi, R., Kato, Y., Ono, H., Konno, M., Ishizuka, T., Hoque, M. R., Hososhima, S., Kunitomo, H., Ito, J., Yoshizawa, S.,Kato, HE., et al. (2015) Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump. Nature 521, 45-53. doi: 10. 1038/nature 14322.
  • Asano, T., et al. (2015) Optogenetic induction of contractile ability in immature C2C12 myotubes. Sci Reports 5:8317 doi: 10.1038/srep08317
  • Honjoh, T., et al. (2014) Optogenetic patterning of whisker-barrel cortical system in transgenic rat expressing channelrhodopsin-2. PLoS One 9(4), e93706. doi: 10.1371/journal.pone.0093706
  • Egawa, R., et al. (2013) Optogenetic probing and manipulation of the calyx-type presynaptic terminal in the embryonic chick ciliary ganglion. PLoS One 8(3), e59179. doi: 10.1371/journal.pone.0059179

OB・OGの主な進路

東北大学(助教) 、群馬大学(講師)、東京医科歯科大学(助教)、自治医科大学(助教)、富山医薬大学(助教)、東北メディカル・メガバンク機構(ポスドク)、理化学研究所(ポスドク)、ニューヨーク大学(ポスドク)、東北大学(ポスドク)、武田薬品(研究員)

担当教員より進学志望者へのメッセージ

研究は夢、理想、友情、賞賛、試練、挫折などのロマンに満ちた未知の世界の探検です。ワクワク、ドキドキ、ハラハラにチャレンジしませんか?

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