3年 脳神経科学:月曜4限 - kawato laboratorykawato-glia.sakura.ne.jp/pdf/3rd neuroscience...
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3年 脳神経科学:月曜4限
第1回 10/7 脳と記憶の原理 海馬の長期増強
第2回 10/15 火曜 神経シナプス伝達 グルタミン酸 生体アミン
第3回 10/21 スパイン解析と性ホルモン
第4回 10/28 (生物物理学会?)
第5回 11/5 火曜 老化と記憶力の改善法
第6回 生体時計・ストレスと鬱病
教室 16号館大学院講義室、4時限 14:50- 月曜
川戸 東大教養学部 統合自然科学科
大学院・総合文化・広域科学専攻
理学系・物理専攻
http://glia.c.u-tokyo.ac.jp
4 シナプス可視化解析と性ホルモン
5 老化と認知症・Alzheimer病
6 生体時計 ストレスホルモン
Common Sense
川戸チームの発見
脳ステロイドは
海馬内合成→急性的に記憶を制御
神経シナプス分泌学
神経内分泌学 性ホルモンは性腺で合成
副腎皮質ホルモンは副腎皮質で合成
血流に乗り脳のへ到達
精巣 ♂ 男性ホルモン
卵巣♀ 女性ホルモン
副腎皮質 ストレスステロイド
視床下部
脳下垂体
性腺刺激ホルモン
副腎刺激ホルモン
神経シナプス分泌学
P450scc
O
O
Progesterone プロゲステロン
H O
O
Dehydroepiandrosterone
DHEA
O
H 3 C
H 3 C O
Androstenedione
O
O H
H 3 C
H 3 C
Testosterone テストステロン:男性ホルモン
O H H 3 C
H O
Estradiol エストラジオール:女性ホルモン
3b-HSD
3b-HSD
17b-HSD3
P45017α
P450arom Dihydrotestosterone
5a-Reductase
脳海馬でステロイドホルモン独自合成
H O
O
Pregnenolone
プレグネノロン
H O
H 3 C
H 3 C 1
3
1 7
Cholesterol
H 3 C
H 3 C OH
Androstenediol
HO
17b-HSD3
3b-HSD
Androstandiol
O
H 3 C
H O
C H 2 O H
C = O
Corticosterone コルチコステロン
ストレスステロイド
11-DOC
P450(11β)
P450(2D4)
P450(C21)
♂♀両方の脳で
女性ホルモン合成
酵素mRNA
酵素抗体染色
ステロイド質量分析
Methods Enzymol (2002)
PNAS (2004)
A, Whole hippocampus海馬
B, CA1
C, preadsorption
D, 17a (green)+NeuN
E, Astroglia (red)
F, Oligodendroglia (red)
Oregon-Green 488 & Cy3
神経細胞に局在
P450(17a) テストステロン合成酵素
DHEA合成酵素
Proc.Natl.Acad.Sci. (2004), 101,865-870, Hojo, Kawato et al.
北条・木本 地産地消
脳と体では女性ホルモンE2 の作用は全く違う
脳は♂になる 視床下部
子の体にE2注射
体は♀になる
生まれたばかりの時(子宮の中では)は性が決まってない
♂は 体からくる男性ホルモン→脳で女性ホルモンになり作用→脳♂型
♀は 体では性ホルモン作れず→ 脳♀型になる
取り出す 子の脳にE2注射
女性ホルモンは新規の神経栄養因子
1)核受容体ERaに結合して蛋白合成を行い
ホルモン効果を示す(古典的作用)
2)シナプス膜受容体sERaもあり、急性効果を示す
♂脳内の女性ホルモン、♀脳内の男性ホルモンが重要
女性ホルモン
受容体 ER
Estradiol
無し
Estradiol
有り
神経に何が起こるか?→シナプス・スパインを見る
細胞体
樹状突起上のスパイン
樹状突起
脳海馬スライス
Stratum Radiatum
Stratum Oriens
St Lacunosum Moleculare
スパインは単一神経に数万個 密度は 1スパイン/1m m (スパイン=シナプス後部)
5 mm
100 mm
スパイン3次元図 Max XY Projection
光CT断層撮影で神経シナプスを見る
Spine
Synapse電顕
記憶の貯蔵庫シナプスに存在するか?? 樹状突起上のスパインを蛍光色素マイクロインジェクションで可視化 左上電顕は、スパイン=シナプス後部(左側)と、シナプス前部(右側)
Morrison
Analysis of spine density and spine head diameter 神経スパイン密度と頭部直径の解析
Max XY image
Spiso-3D 解析
3D model
蛍光色素 注入
0.2 - 0.4 μm 0.4 - 0.5 μm 0.5-1.0 μm
Small- Middle- Large-head spine
Spine head diameter
3 subclasses of spine
頭部直径の大きいスパイン
の方が記憶能力が高い
AMPA受容体が格段に多いから
2)スパインの検出
画像関数I(x) のテイラー展開の2次微分H の固有値はスパイン頭部では負(閉じた負の曲面)これを同定
1) 樹状突起のトレース
樹状突起
数理自動解析Spiso-3D Cerebral Cortex (2011) Mukai et al.
JST バイオインフォマティクス Project
3)スパイン頭部の直径決定← 距離画像から首の長さも決定
女性ホルモンで スパイン増加
Cont 1 nM Estradiol, 2h 1 mm
2時間 Estradiol 作用
spine 増加 1.4倍
CA1
2h
男性ホルモン補充
Control
ホルモン<0.5 nM
DHT 10nM T 10 nM
2時間男性ホルモン補充
スパイン増加
CA1領域
DHT とT には差がある
スパインの頭部直径分布で比較
small, middle, large head
DHTは頭部大きいスパイン
Tは頭部小さなスパイン
を増加させる
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Spine head diameter (mm)
Sp
ine d
en
sit
y (
sp
ines/m
m) middle
small
large
Control
DHT
T 男性ホルモンも効く
女性ホルモンで スパイン増減
E2無い 1 nM 女性ホルモン 性ホルモンは
シナプス数を制御
記憶機能を制御
2時間 男性ホルモン補充
男性ホルモン無い DHT 10nM T 10 nM
男性ホルモンで スパイン増減
Synaptic ERa Postsynapse
Presynapse
Pre
電子顕微鏡
金抗体免疫染色
CA1
ERaはシナプスにある
向井
PSD
1/50 PG-21
前立腺 海馬 細胞質
海馬核
海馬 シナプス PSD
110 kDa
PG-21 IgG
(Tabori et al., 2005 Neuroscience)
Immunogold Silver enhanced
bar = 0.5 mm
海馬の男性ホルモン受容体AR
核や細胞質だけでなくシナプスPSDにも局在
ARの存在量 CA1 > CA3, DG
CA3
CA1
DG
CA1 PSD
AR
Estradiol
ERa
MAP kinase, PI3 kinase,
A-kinase,C-kinase,
calcineurin
ER エストロゲン受容体
エストラジオール(E2)
シナプス前部
スパイン
(シナプス後部)
NMDA受容体
AMPA受容体
F-actin
樹状突起
スパインの新生
神経細胞
F-actin
kinase
ER
Ras
Raf actin
MAPK
G-actin F-actin
PKC
PKA
Calcineurin
P38 MAPK
G-actin
cofilin
ARP2/3 女性ホルモンの
細いスパインの増加効果 スパイン内受容体→kinase→
アクチン重合
スパイン増加
モデル
女性ホルモン
VS
mating effort parenting effort
体では
性ホルモン
繁殖行動
坂口菊枝 東大 広域科学 (長谷川研・認知行動)
お茶大 人間文化
VS
3年 脳神経科学 後半
老化による記憶力低下と
認知症・Alzheimer症
老化による認知症Alzheimer’s と女性ホルモン補充
Menopause
Mem
ory
Sco
re
Age →
記憶力は性ホルモンの低下で弱くなる→何故か?
Mem
ory
Sco
re
ERT Stop Go
女性ホルモンの補充で改善→何故か?
O H H 3 C
H O
Estradiol エストラジオール:女性ホルモン
注意: ♂の脳も♀の脳も女性ホルモンを合成
神経栄養因子。 体と脳は全く異なる
更年期でやる気がパッタリと無くなるのはなぜか? そこから如何に回復するか? → Shall we dance ?
O H H 3 C
H O
Estradiol エストラジオール:女性ホルモン
O
O H
H 3 C
H 3 C
Testosterone テストステロン:男性ホルモン
の量が重要です
脳のホルモンが作る男の更年期・女の更年期
はらたいら さんの 場合 2007年没 クイズダービー 漫画家
男だって更年期 頭痛、肩こり、出社拒否 …男性ホルモン、じわじわ減少「男性の更年期」というと不思議に思う人が多
いだろう。しかし、「頭が重い」「肩や背中が、ひどくこる」「会社に行く 気がおきない」など、これまで「なまけ者」「ぜいたく病」と思われていた、 年齢を重ねた男性たちの苦しみが、立派な「更年期障害」であることが明らか になってきた。 ◇「家族の存在が支えに」--更年「期」抜けた、はらたいらさん(クイズダービー) 「更年期は『期』だから、必ず終わりがあります」 漫画家のはらたいらさん(59)は、今年になって更年期の「トンネル」から抜け出した。 調子が悪くなったのは49歳のとき。何もやる気が起きず、ペンも重い。アイデアがわかなくなり、 「乾いたタオルを絞るような状態だった」。めまいや肩こりは日常茶飯事。浴びるほど んだ酒も、大好物の刺し身もおいしくなくなった。 光明が差したのは数年後。知人の女性に言われた「女性の更年期みたい」という一言だった。 帰宅したはらさんは、うれしそうに妻ちず子さん(58)に報告した。「おれは更年期らしいぞ!」 「敵が見えて、気分が軽くなった」と、はらさん。ちず子さんは「主人の調子が悪く、還暦も迎えられないと 思っていた。それが更年期を知った途端、表情が明るくなった。男の更年期なんてとも思ったが、 主人が明るくなるなら、と受け入れました」と振り返る。 はらさんは毎朝、体操と散歩を始めた。食事は野菜中心の和食に。「最初、納得いく診断をして もらえなかった。だから、更年期と分かってからも医者には行かず、生活を規則正しくすることを心がけた」 という。 ここ数年、景色が違って見え始めた。花の色、石ころ、道行く人が目に留まる。「作品の線にも味が 出てきたかなあと感じる。思いっきり太い線を描きたくなった」
Alzheimer病の進展 左(軽度・海馬)→中(中度・縮小)→右(重度・全体)
Alzheimer病での神経のダメージ 左:Tau蛋白変性 →軸策骨格変性; 右:アミロイドベータ班 →神経交信の切断
2年齢ラット海馬
老化色素リポフシン Lipopcshinの自家蛍光
DG
CA1
CA3
Aged hippocampus
Lipopcshin autofluorescence
正常老化の海馬では神経細胞は減少しない→ spine減少が重要 Rapp PNAS (1996) Spatial learning deficits in 27 month rats
神経細胞数鵜 CA1 40 万, CA3 22万, DG 120万
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Spines (=post synapses) decrease at 24 month 24ヶ月老齢ラット スパイン密度が減少 ← T, DHT 補充で少し回復
(ヒトの70-80歳に相当)正常老化では神経細胞数は減少しないことに注意!
To
tal sp
ine
de
nsity
(sp
ine
s/μ
m)
24 month 3 month
**
芳野・李
清水・白澤(老人研・順天堂大)
T, DHT replacement
increases to d=1.87
d = 2.26
d = 1.65
大人の脳も再生するので、認知症は自分で治せる?
海馬神経の新生・再生 E. Gould
♀ラットにストレスかけると
海馬の神経細胞が死ぬ
↓
あらかじめ女性ホルモンを打っておくと
神経が死なない
↓
BrdU 注射で脳海馬に取り込みの跡
↓
成獣の海馬のDentate Gyrusで神経が新生
ピリオド・・・ヒトでも遺伝子発見 東大医科学研究所の榊住之教授と程肇助手、神戸大医学部の岡村均教授らが
ショウジョウバエの遺伝子と同じ構造の遺伝子を人間とネズミの細胞で発見、
『ピリオド』と名付けた。 ピリオド遺伝子は、両目から出た神経が交わる[視交叉上核]
という場所の細胞では昼は活発に働き、夜はあまり機能しないというほぼ24時間の周期
で活動レベルを変化させていた。また暗闇でも同じ周期で働き光の影響を受けない
ラット視交叉上核
脳の体内時計
体内時計の振動
体内時計遺伝子 Period 1 とホタルのluciferaseとを組
合わせ、細胞が光るラットをつくり、光り方の周期を観測→ Movie 岡村 Science
1ヶ月も発振
腹時計2 食餌に同期した period 1 遺伝子の24時間周期でのスイッチオン・オフ
PNAS (2006)Texas Univ 柳沢
光同期性クロックとして機能する視交叉上核(SCN)では、給餌条件に関わらずperiod 1遺伝子は昼にオン、夜にオフになる(ZT0は点灯、ZT12は消灯の時間と定義す)。一方、視床下部背内側核(DMH)では、常に餌のある自由給餌下では、period 1遺伝子はオフになっている。しかし、餌が昼間の一定の時間帯(ZT4からZT8)のみで得られるような環境に順応すると、給餌に同期したperiod 1遺伝子のスイッチオン・オフが見られるようになる。一度このリズムが確立すると、実際には食餌しなくても同じタイミングでperiod 1遺伝子のスイッチオン・オフが持続する(制限給餌-絶食1日目、制限給餌-絶食2日目)
ZT = Zeitgeber Time =24時間周期, Circadian Time≠24時間周期, ツァイトゲーバー
腹時計3
自由給餌下では、視交叉上核(オレンジ)の光同期性クロックがマスター・クロックとして働
き、様々な身体機能や行動の概日周期を制御する。視床下部背内側核(青)は視交叉上核からの時間情報を中継するとともに、液性及び神経性の経路により食餌や体内エネルギー蓄積量に関する情報を直接、間接的に受け取る。一方、餌が一日のうち一定の時間帯のみで得られるような環境下では、視床下部背内側核の食餌同期性クロックが、視交叉上核からの光同期性の時間情報とは無関係に、給餌のタイミングに合わせた時刻を刻み、食餌に同期した概日行動パターンを制御する。視交叉上核からの破線は、視交叉上核のマスター・クロックとしての役割が食餌パターンに左右されることを示している。
視床下部背内側核の食餌同期性クロックとしての統合メカニズム
SCN 腹時計
glucose
視床下部
大脳 小脳
ACTH→ 副腎皮質
→ CORT(時計出力)
海馬:記憶学習の中枢 Center for Learning and Memory
Rat Brain
Hippocampus:海馬 Cerebellum
小脳
CA1: spatial memory 空間記憶
CA3: associative memory 連想記憶 DG
神経新生
Hypothalamus:視床下部
海馬は朝をどうやって知るか? ストレスホルモン
時計中枢
↓
脳下垂体
↓
ACTH
↓
副腎皮質ストレスホルモンが
副腎皮質で合成
↓
血流に乗り体の各部へ到達
↓
朝を告げる
精巣 ♂ 男性ホルモン
卵巣♀ 女性ホルモン
副腎皮質 ストレスステロイド
視床下部
脳下垂体
性腺刺激ホルモン
副腎刺激ホルモン
朝を告げるCORT ストレスホルモン
● 唾液 ○血液
Morning rise of Cortisol,
9時に起床 1000 nM
200-300 nM
血液
朝 (時刻) 夜
唾液
・Cortisol の生理作用: 生体時計の出力で、朝 、副腎皮質から血中へのcortisol 濃度が数倍上昇して→肝臓細胞から glucose 糖の供給 が数倍上昇→体細胞の活動度が上昇し→体に朝が告げられる。
目覚ましが鳴る前に起きられるのはなぜか? ←記憶神経が時間を覚えている?
・ Cortisol の病気作用: ストレスでは高cortisol 濃度が長期に続いて→朝が決まらない(睡眠障害) → 会社に遅刻 →うつ病になる ・ Insulin低下→脳神経細胞の糖消費が低下し→海馬の神経細胞活性低下 (脳の糖尿病・うつ病)
質量分析
ストレスホルモンでスパイン増加
スパイン頭部直径分布
樹状突起とスパインの3次元画像表示
ストレスホルモンCORTの作用
1時間の短期作用であれば、
スパインを増加させて神経を活性化する。
生体防御の機構? Fight or fly
試験・発表では一時的に頭が活性化
しかし毎日続くと うつ病になる
CORT
GR
MAP kinase, C-kinase
GR グルココルチコイド受容体
コルチコステロン(CORT)
シナプス前部
スパイン
(シナプス後部)
NMDA受容体
AMPA受容体
F-actin
樹状突起
スパインの新生
神経細胞
F-actin
kinase
GR
Raf
actin
MAPK G-actin F-actin
ストレスホルモンの
太いスパイン増加効果 スパイン内受容体→kinase→
アクチン重合
スパイン増加
モデル CORT
ストレスと うつ病
CORT はストレス時に副腎皮質で分泌ストレスホルモン
CORT受容体は、グルココルチコイド受容体(GR)
海馬にはGRが多い
3週間続くと うつ病になる
CORT
大脳
嗅球 小脳
下垂体
視床下部 副腎皮質刺激ホルモン放出ホルモン
ストレス
副腎
副腎皮質刺激ホルモン
海馬
⑤
血液中に分泌
CORT
血流に乗って海馬に到達する。
うつ病とホルモン治療
女性ホルモン投与
プラセボ
うつ度
スコア
ストレスホルモン→海馬→うつ病
抗うつ薬 SSRI より
女性ホルモンのほうが効く
Selective Serotonin Recycling Inhibitor