CBSパンフレット表紙イメージ解説
commentary on the cover images of the CBS Brochure

1. 細胞機能探索技術研究チーム
チームリーダー 宮脇 敦史
Atsushi Miyawaki, M.D., Ph.D.
Team Leader, Cell Function Dynamics


―海馬―
記憶の貯蔵庫として働くこの構造体において神経配線はどのように敷かれているのか?海馬の解剖の全貌を解明する試みがマウスを使って盛んに行われてきました。我々は、脳の神経細胞を予め蛍光タンパク質で標識し、脳を取り出し透明化し、光学顕微鏡で取得した蛍光シグナルを再構築する技術を発表してきました。こうして出来た複雑3次元神経回路網はコンピュータ上で自由自在にズームイン・アウトして観ることが可能です。マウス左側海馬をアンモン角上方から俯瞰すると(写真)、神経線維束が渦潮流(tidal wave)や渦巻銀河(spiral galaxy)のようにうねるのを感じることができます。

A comprehensive high-resolution three-dimensional reconstruction of fluorescently labeled neurons in the mouse hippocampus containing the dentate gyrus and Ammon's horn fields, reminiscent of a black hole or whirling tides.


 



2. 脳画像解析開発ユニット
ユニットリーダー ヘンリック・スキッベ
Henrik Skibbe, Dr. rer. Nat
Unit Leader, Brain Image Analysis Unit


この図では、小型霊長類マーモセット脳内における、ある領域と他の領域との間をつなぐ1万個超のニューロンの軸索の経路が観察できる。こうした脳領域間のつながりを明らかにする研究は、脳の情報処理メカニズムを理解する上で不可欠である。

革新的技術による脳機能ネットワークの全容解明プロジェクト(革新脳)[1] は、マーモセットの高次脳機能を担う神経回路の全容をニューロンレベルで解明することにより、ヒトの精神・神経疾患の克服や情報処理技術の高度化への貢献を目指す。 このプロジェクトの一環として、顕微鏡で撮像した画像の自動解析により、マーモセット脳内神経回路の網羅的マッピングを行っている。

コンピューターチップの回路図のように、神経回路マップは脳のつながりに関する詳細な情報を提供してくれる。 コンピューターの基本計算単位はトランジスタだが、脳の基本計算単位はニューロンである。マーモセットの脳には総数6億個以上のニューロンが含まれている。現時点で1つの脳画像から一度にすべての詳細なつながりをマッピングすることは、まだ技術的に困難であり、 前段階として脳のつながりの全体構造をより粗いレベルで理解する必要がある。

私たちは、前頭前野(PFC)[2] をターゲットとしてPFC内の複数領域にニューロトレーサー[3] を注入し、そのつながりをマッピングした。この技術を用いると、トレーサーが注入された領域のニューロンの軸索が可視化される。こうして得られる膨大なデータを解析するために、軸索の自動追跡アルゴリズムを開発した。図は、1つの注入領域に存在するニューロンの複雑なつながりの一例を示している。

この画像は、高次脳機能分子解析チーム(山森哲雄、渡我部昭哉)との共同研究による。

用語解説

  1. 革新的技術による脳機能ネットワークの全容解明プロジェクト(革新脳)
    http://brainminds.jp/
  2. 前頭前野(PFC:Prefrontal Cortex)
    脳の前部に位置する大脳皮質の領域で、ヒトでよく発達しており、論理的思考や推論、自省などの人を人たらしめる脳機能を司る。
  3. ニューロトレーサー
    選択的に神経細胞に取り込まれ、細胞体・軸索・神経末端を行き来する細胞内輸送によって運ばれる性質を持つ化学物質。蛍光で標識されており、神経細胞のつながりを可視化する。

In this figure, we see the axonal extensions of more than ten thousand neurons connecting one selected region of marmoset monkey brain to other brain regions. Understanding the connectivity in the brain is an important prerequisite for understanding how the brain processes information.

The Japan Brain/MINDS project [1] studies the neural networks controlling higher brain functions in the marmoset to gain new insights into information processing and diseases of the human brain. As part of this project, the neuronal connectivity of the marmoset brain is mapped by automatically analyzing microscopy images.

Similar to a circuit diagram of a computer chip, a brain map can tell us details about its connections. In a computer, the basic units are transistors. In the brain, neurons are the basic computing units. In total, a marmoset brain contains more than 600 Million(636,000,000) neurons. Mapping all details from one brain image at once is still a challenge. Before doing that, we need to understand the global architecture of brain connectivity at a coarser level.

In our project, we focused on the prefrontal cortex (PFC) [2] and injected neurotracers [3] to many different locations within the PFC to map its connectivity. The tracer makes visible the axonal extensions of the neurons in an injection site. For the analysis of the data, we develop algorithms that can automatically track the axons in the images. The figure shows one example of the complex connectivity of neurons in one injection site.

This is a collaborative work of Yamamori-lab (in particular Akiya Watakabe), and the Brain Image Analysis Unit.

Vocabulary

  1. The Japan Brain/MINDS project
    http://brainminds.jp/
  2. the prefrontal cortex (PFC)
    Located in the frontal region of the brain, this area is highly developed in humans, playing a pivotal role in human-specific higher brain functions such as logical thinking, inference or introspection.
  3. neurotracers
    Chemicals conjugated with fluorescence easily up-taken by neurons and spread through cell body, axon and nerve terminals via intracellular transport. It is useful to visualize neural connectivity of the brain.

 



3. シナプス可塑性・回路制御研究チーム
チームリーダー 合田 裕紀子
Yukiko Goda, Ph.D.
Team Leader, Synaptic Plasticity and Connectivity


海馬の初代解離培養[1] 再現されたニューロンとアストロサイト[2]のネットワーク。緑色蛍光タンパク質[3]でラベルされたニューロン(緑)とグリア線維性酸性蛋白質 [4]で蛍光標識されたアストロサイト(赤)が緻密にインタラクトする様子。青色は細胞タイプにかかわらずDAPI[5]で染色される細胞核を示す。

用語解説

  1. 海馬の初代解離培養
    記憶などを司る脳領域である海馬の組織を切り出し、神経細胞をはじめその組織を形成する細胞をバラバラにして培養すること。
  2. アストロサイト
    星状膠細胞ともいう。細く分岐している多数の突起を持ち、表面積が大きい。ニューロンの1.4倍存在し、アストロサイト1個が200万以上のシナプスを被っている。
  3. 緑色蛍光タンパク質
    青色光を吸収し緑色光を発する、オワンクラゲから単離されたタンパク質。生体組織中の細胞や細胞内小器官などを標識するのに使われる。
  4. グリア繊維性酸性タンパク質
    アストロサイト、オリゴデンドロサイト、ミクログリアの3種類のグリアのうち、アストロサイトだけに存在し、分子マーカーとして使われるタンパク質。
  5. DAPI
    DAPI(4’, 6-diamidino-2-phenylindol)はDNAに結合する蛍光色素で、紫外線を当てると青色蛍光を発するため、核の染色に利用される。

Neuron and astrocyte [1] network recreated in dissociated hippocampal primary cultures [2]. Neurons visualized by the expression of Green Fluorescent Protein [3](Green) and astrocytes labelled for the Glial Fibrillary Acid Protein [4] (Red) closely interact. Nuclei of all cell types have been labelled by DAPI [5] (Blue).

Vocabulary

  1. Astrocyte
    A star-shaped glial cell with many processes covering a large area of the brain. It counts 1.4 times of neurons and A single astrocyte covers 2 million synapses.
  2. Dissociated hippocampal primary cultures
    Culture of dissociated cells, especially neurons, obtained from the hippocampus, the brain region responsible for memory.
  3. Green Fluorescent Protein, GFP
    A protein isolated from the jelly fish Aequorea Victoria, which absorbs blue light and emits green light, often used to label cells or subcellular structures in living tissues.
  4. Glial fibrillary acidic protein, GFAP
    Among 3 the types of glial cells, only astrocytes express GFAP, making it a molecular marker to identify astrocytes.
  5. DAPI
    DAPI(4’, 6-diamidino-2-phenylindol) absorbs ultra violet light and emits blue light. Because it binds to DNA, it is often used to label nuclei of all types of cells.