Axon Physiology in the CNS
Axon is a part of neuron which generates and propagates action potentials towards the presynaptic terminals. Due to robust regenerative nature, the axonal action potentials are thought of as stable binary code for rich and ultrafast neuronal computation in the brain. We focus on to study the dynamic control of the excitability of the axons, to reveal the general rules governing the neuronal signaling supporting the complex brain functions.
Our approach
To study the axonal spike signaling with a high temporal resolution, we adopted direct electrophysiological recordings from the single axon terminals of mouse hippocampal mossy fibers, the best-studied axons in the CNS. We also often use numerical computation using the realistic model of the mossy fiber axons, the best-model of CNS axons thus far, to test for quantitative validation of the experimental findings.
Achievement
Roles of inactivating potassium channels in short-term synaptic plasticity
Axonal potassium channels in the brain often display inactivation different from those found in squid giant axons. Using simulation approaches, we demonstrated that accumulated inactivation of potassium channels during repetitive stimulation assisted large short-term plasticity in addition to the classical residual potassium mechanism.
Front Cell Neurosci 2023 DOI: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fncel.2023.1154910
ModelDB 2023 #267617 https://senselab.med.yale.edu/ModelDB/showmodel?model=267617#tabs-1
Mechanisms of analog tuning by axonal subthreshold voltage signaling
Subthreshold depolarization of soma propagates into axons for a distance and facilitates synaptic transmission. Using simulation with the model of hippocampal mossy fiber axon, we found that depolarization reduces the action potential-induced the presynaptic calcium entry, while subthreshold depolarization itself elicited small calcium entry.
Front Cell Neurosci 2022 DOI: https://doi.org/10.3389/fncel.2022.966636
ModelDB 2022 #267512 https://senselab.med.yale.edu/ModelDB/showmodel.cshtml?model=267512#tabs-1
Mechanisms of axonal afterdepolarization (ADP)
Axonal spikes are often followed by slow depolarization lasting for tens of ms. Using direct recording and simulation, we revealed that passive propagation by the capacitive discharge of the axonal membrane as well as voltage-dependent K and slow Na conductances underlie the generation of ADP.
eNeuro 2018a DOI: https://doi.org/10.1523/ENEURO.0254-18.2018
Front Cell Neurosci 2019a DOI: https://doi.org/10.3389/fncel.2019.00210
Front Cell Neurosci 2019b DOI: https://doi.org/10.3389/fncel.2019.00407
ModelDB 2020 #263034 https://senselab.med.yale.edu/ModelDB/ShowModel?model=263034#tabs-1
Analog modulation of axonal spike signaling
Using direct recording from the single axon terminals of hippocampal mossy fibers, both duration and amplitude of axonal spike are subject to modulation by preceding action potential-ADP sequence, deviating from the conventional notion of digital nature of axonal spike signaling. Short-term plasticity of axonal spike also impacts on transmitter release from the axon terminals.
eNeuro 2018b DOI: https://doi.org/10.1523/ENEURO.0415-17.2018
Front Cell Neurosci 2019b DOI: https://doi.org/10.3389/fncel.2019.00407
This work was press released from the Hokkaido University web page (2018/2/27). jp
https://www.hokudai.ac.jp/news/180227_pr.pdfTiming of synapse delivery of AMPA-type glutamate receptors
The hippocampal CA1 synapse displays prominent plasticity by changing the expression of postsynaptic AMPA receptors. Using photochemical inactivation of AMPA receptors by UV illumination with the photoreactive blocker ANQX, temporal dynamics of synaptic delivery of AMPA receptors from the reserve pools were explored. It was revealed that AMPA receptors were incorporated following a high-frequency stimulus for inducing plasticity.
J Neurosci 2012 DOI: https://doi.org/10.1523/jneurosci.0720-12.2012
This work was press released from the Hokkaido University web page (2012/5/9). jp
https://www.hokudai.ac.jp/news/120509_pr_med.pdf
Amplification of presynaptic plasticity by calcium store
Hippocampal mossy fiber synapse exerts presynaptic long-term potentiation which does not require activation of NMDA receptors. Using the optical measurement of calcium dynamics within the mossy fiber terminals, this form of plasticity has been shown to be triggered calcium release from the presynaptic calcium store. Specifically, type 2 ryanodine receptors are shown to be involved.
PNAS 2008 DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.0802175105
This work was press released and reported in Asahi (2008/8/15) and Mainichi newspapers (2008/8/5).
Expression mechanisms of presynaptic plasticity
The mechanisms underlying the presynaptic form of plasticity at the hippocampal mossy fiber synapse were investigated using optical measurement of presynaptic calcium and found that the amount of calcium entry was unchanged. Involvement of kainite-type glutamate receptors in large short-term facilitation was shown by the same optical approach.
J Neurosci 2002a DOI: https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.22-24-10524.2002
J Neurosci 2002b DOI: https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.22-21-09237.2002
Roles of presynaptic glutamate receptors
At hippocampal mossy fiber synapses, it has been demonstrated that group II metabotropic glutamate receptors (mGluR) modulate transmitter release while kainite-type glutamate receptors regulate axonal excitability. Journal of Physiology paper in 1996 demonstrating selective block of mossy fiber transmission by the agonist of group II mGluR was cited by many papers on the hippocampal mossy fiber synapse.
J Physiol 2000 DOI: https://doi.org/10.1111/j.1469-7793.2000.t01-1-00653.x
J Physiol 1998 DOI: https://doi.org/10.1111/j.1469-7793.1998.833bm.x
Prog Neurobio 1998 DOI: https://doi.org/10.1016/S0301-0082(97)00085-3
*J Physiol 1996 DOI: https://doi.org/10.1113/jphysiol.1996.sp021395
*This work was selected as the top 40 most influential Journal of Physiology papers from Japan and was published in the virtual issues celebrating the Physiological Society of Japan’s 100th anniversary.
Roles of residual calcium in short-term synaptic plasticity
At many synapses, the synaptic strength was dynamically tuned by their history of activity. As a mechanism of this short-term plasticity, it has been long postulated that a build-up of the presynaptic calcium level caused enhanced transmitter release. Using the optical control of presynaptic calcium concentration by photolysis of caged compounds, the residual calcium hypothesis was successfully proved.
Nature 1994 DOI: https://doi.org/10.1038/371603a0
Identification of presynaptic calcium channel
Calcium entry into the presynaptic terminals is essential for transmitter release, although the subtypes of the calcium channels had not been identified in the central nervous system. Since the application of ω-conotoxin GVIA suppresses synaptic transmission in hippocampal slices, the N-type calcium channels were shown to be involved in transmitter release.
Neurosci Lett 1988 DOI: https://doi.org/10.1016/0304-3940(88)90253-4
研究テーマ
私たちは、中枢神経系における情報伝達のメカニズムに関する研究を行っています。In vitroの脳研究ツールであるマウス海馬のスライス標本を用い、パッチクランプや蛍光イメージング、光操作などの機能解析法を駆使して未知のメカニズムを追及することで、脳の動作原理についてボトムアップ的に理解していきたいと考えています。現在は、軸索終末からの直接記録による中枢軸索の機能解析に焦点をあてた研究を進めています。
研究手法
・ 単一軸索終末サブセルラー記録法
・ NEURONを用いた軸索興奮伝播のシミュレーション
・ caged化合物の光分解による神経回路の局所的刺激
主な研究成果
海馬苔状線維シナプス短期可塑性における不活性化型カリウムチャンネルの役割
中枢軸索のカリウムチャンネルはイカ巨大軸索と異なり多くの場合不活性化を示します。本研究では、海馬苔状軸索モデルでのシミュレーションによりその意義を調べました。古典的な残存カルシウムの作用に加えて、繰り返し刺激により蓄積したカリウムチャンネルの不活性化が顕著な短期シナプス可塑性の一因であることを示しました。
Front Cell Neurosci 2023 DOI: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fncel.2023.1154910
ModelDB 2023 #267617 https://senselab.med.yale.edu/ModelDB/showmodel?model=267617#tabs-1
海馬苔状線維における閾値下シグナルによるアナログ調節のメカニズム
細胞体の閾値下の脱分極が軸索に広く分布しシナプス伝達を促進するアナログ調節が最近明らかになりました。本研究では、海馬苔状線維軸索の数理モデルを用いたシミュレーションにより機序を探求しました。活動電位に伴う軸索終末へのCa2+流入は軽度に抑制されましたが、閾値下脱分極自身がCa2+流入を生じシナプス伝達を促進することを示しました。
Front Cell Neurosci 2022 DOI: https://doi.org/10.3389/fncel.2022.966636
ModelDB 2022 #267512 https://senselab.med.yale.edu/ModelDB/showmodel.cshtml?model=267512#tabs-1
海馬苔状線維における後脱分極のメカニズム
神経軸索で生じる活動電位に引き続き、しばしば数十ミリにおよぶ緩徐な後脱分極応答が記録されます。本研究では、マウス海馬苔状線維終末からホールセル記録を行い、後脱分極の機序と意義を調べました。これまで想定されていた容量性成分に加えて、ナトリウムチャンネルの遅い再活性化が関与する可能性を示しました。後脱分極が、引き続く活動電位による軸索終末へのカルシウム流入を促進し、短期可塑性を調節することも明らかにしました。
eNeuro 2018a DOI: https://doi.org/10.1523/ENEURO.0254-18.2018
ModelDB 2020 #263034 https://senselab.med.yale.edu/ModelDB/ShowModel?model=263034#tabs-1
海馬苔状線維における軸索スパイクのアナログ制御
神経細胞の出力である神経軸索では活動電位を生じ、これを標的細胞にむけて伝播することで、高速で安定な情報処理を行っています。本研究では、マウス海馬スライスにおいての単一神経軸索からのサブセルラー記録を可能とし、全か無かの法則に従う「脳のデジタル信号」と考えられてきた神経軸索での活動電位が、神経活動に応じてアナログに変化することを見出しました。また、この現象には、遅いナトリウムチャンネルの活性化を介した緩徐な後脱分極応答が関わることを明らかにしました。
eNeuro 2018b DOI: https://doi.org/10.1523/ENEURO.0415-17.2018
本成果は、北海道大学ホームページにてプレスリリースされました（2018年2月27日）。
https://www.hokudai.ac.jp/news/180227_pr.pdf
AMPA型グルタミン酸受容体のシナプス移行のタイミング
海馬CA1野シナプスでは、AMPA型グルタミン受容体数が増減することで顕著な可塑性を生じます。本研究では、光反応性AMPA受容体ブロッカーANQXの光照射により細胞膜上のAMPA受容体を不活化し、その後の応答の回復経過をモニターすることで、細胞内予備プールの受容体がシナプスに組み込まれるタイミングを調べました。AMPA受容体は高頻度刺激の直後にシナプスに輸送され、神経伝達を持続的に強化することがわかりました。
J Neurosci 2012 DOI: https://doi.org/10.1523/jneurosci.0720-12.2012
本成果は、北海道大学ホームページにてプレスリリースされました（2012年5月9日）。
https://www.hokudai.ac.jp/news/120509_pr_med.pdf
カルシウムストアによるプレシナプス可塑性の増幅
海馬苔状線維シナプスでは、NMDA受容体活性化を必要としないシナプス前性の長期増強が誘発されます。本研究では苔状線維終末内カルシウム動態を光学的に測定し、このプレシナプス可塑性には細胞内カルシウム放出による神経終末内カルシウムシグナルの増幅が関わることを見出しました。この際に、心筋の収縮に必要な２型リアノジン受容体と呼ばれる細胞内カルシウム放出チャンネルが関与することも明らかになりました。
PNAS 2008 DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.0802175105
本成果は、朝日新聞 (2008年8月15日朝刊) 、毎日新聞 (8月5日夕刊)などで報道されました。
プレシナプス可塑性の発現機構
海馬苔状線維シナプスでのシナプス前性の長期増強のメカニズムに関して検討し、シナプス前終末へのカルシウム流入量は変化せず、カルシウム流入以降の開口放出過程が亢進し長期増強を引き起こすことを示しました。また苔状線維シナプスは繰り返し刺激により著明に応答を増強する高ダイナミックレンジ型の短期可塑性を示しますが、この際にカイニン酸型グルタミン酸受容体によりシナプス前終末へのカルシウム流入が増大することを見出しました。
J Neurosci 2002a DOI: https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.22-24-10524.2002
J Neurosci 2002b DOI: https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.22-21-09237.2002
プレシナプスグルタミン酸受容体の機能
海馬苔状線維シナプス前部にはII群代謝調節型グルタミン酸受容体(ｍGluR)とカイニン酸型グルタミン酸受容体が存在し、伝達物質放出や軸索興奮性を調節する機能を持つことを示しました。このうち、特異的II群ｍGluR賦活薬DCG-IVが海馬のグルタミン酸作動性シナプスのうち苔状線維入力を選択的に抑制することを明らかにした1996年のJournal of Physiology論文は、海馬CA3野シナプスを対象とした多くの研究論文で引用されています。
J Physiol 2000 DOI: https://doi.org/10.1111/j.1469-7793.2000.t01-1-00653.x
J Physiol 1998 DOI: https://doi.org/10.1111/j.1469-7793.1998.833bm.x
Prog Neurobio 1998 DOI: https://doi.org/10.1016/S0301-0082(97)00085-3
* J Physiol 1996 DOI: https://doi.org/10.1113/jphysiol.1996.sp021395
*本成果は、Journal of Physiology誌の史上最も影響力のあった日本からの論文40編に選ばれ日本生理学会100周年記念号に掲載されました。
プレシナプス短期可塑性の残存カルシウム仮説の証明
すべてのシナプスは活動状態に応じてダイナミックに伝達効率を変化させます。この短期可塑性と呼ばれる現象のメカニズムとして、神経活動に応じてシナプス前終末に流入したカルシウムイオンの蓄積が関与するとの仮説（残存カルシウム仮説）が従来から提唱されてきました。caged化合物の光分解によりシナプス前終末内のカルシウム濃度を瞬間的に操作する実験を行い、この仮説を証明することに成功しました。
Nature 1994 DOI: https://doi.org/10.1038/371603a0
プレシナプスカルシウムチャンネルの同定
神経伝達物質の放出にはシナプス前終末のカルシウムチャンネルを介したカルシウム流入が不可欠ですが、中枢シナプスでの伝達物質放出に関与するカルシウムチャンネルのサブタイプは不明でした。N型カルシウムチャンネルブロッカーωコノトキシンを海馬スライスに投与したところシナプス伝達が抑制されたことから、海馬における伝達物質放出にはN型カルシウムチャンネルが関与することを示しました。
Neurosci Lett 1988 DOI: https://doi.org/10.1016/0304-3940(88)90253-4