1.大脳皮質機能研究系 脳形態解析研究部門(重本隆一教授)の評価

1.1 Dr.Johannes van der Want,Department of Cell Biology, University Medical Center Groningen, University of Groningen, University of Groningen,the Netherlands

A visitors view and evaluation

Programme

Research at the Division of Cerebral Structure, headed by Prof. R. Shigemoto, is characterized by a focused combination of molecular biological tools with physiological, structural and behavioral oriented research. The morphologist can identify and investigate structural changes related to functional activity e.g. during learning, development and aging, the physiologist can identify differences in neuronal strength and activity together they can understand the implication of structure/function relations. The interaction between these approaches stimulates the development of new and fundamental research opportunities. Application of novel technologies acts as catalysts which sets fundamental research in motion. The activities together form an ideal platform for optimal and multidisciplinary approaches in obtaining fundamental knowledge of the central nervous system.

Organization

The team is made by specialists who individually master advanced technologies, bringing together research at different levels: specification of brain activity at the molecular and cellular level to provide a strong basis for neurobiological research. Staff meetings that are held in English, each Monday morning and Journal Club meetings discussing recent literature, each Wednesday leave the impression of high quality presentations including both overviews of seniors as well as talks by postgraduate and PhD. students. The meetings are open for others to attend and regularly guests are invited to present recent progress. The level of the presentations and ample timing of detailed discussions is such that they will offer excellent training for the less experienced newcomers.

In this short report I can only highlight a few of the projects that I have become more familiar during my three months stay in the lab:

At first, the presence and distribution of specific molecules that play an important role in signal transduction and that determine, among others, the position of ion channels, transmitter receptors and vesicular transporters. This line of research includes sensitive freeze fracture replica technique in combination with immuno-detection at the ultrastructural level. This methods reveals the two dimensional distribution of molecules along the plasma membrane. The experimental approach is most suitable and has a distinct interdisciplinary character. There are very few, about 2, as far as I know, in the world where this advanced technology is available and successfully applied. Current research is widely considered as a first class scientific activity and is leading in the subject of glutamate receptor identification and localization of excitatory transmitters.

Secondly, a topic dealing with emerging issues, that reach from the molecular (receptor identification, channel localization) level to functional (neuronal patch clamp, activity recording in slices and \textit{in vivo} and newly acquired behavioral (optokinetic responses, motor coordination) levels, the approach is novel and very promising. This is an issue of considerable interest since receptors are known to be implicated in a number of normal and pathological processes in the central nervous system. Knowing the molecular distribution, the pathways and behavior of the receptor at the cellular membrane is essential to understand its implication on the neural activity. In relation to this a new method has been developed, that is available through internet, to calculate glutamate diffusion within the synaptic cleft. This method can be modified for any other transmitter or receptor, given that the diffusion characteristics and kinetic properties of the receptors are known.

Thirdly, investigations on the left-right asymmetry, using electrophysiological and immunocytochemical techniques in mutant mouse exhibiting situs inversus. Since this mouse lacks left-right asymmetry, the team could demonstrate for the first time the occurrence of right isomerism in synaptic distribution of a specific receptor type related to NMDA receptor, subunit GluRe2

Fourthly, dynamic remodeling of synaptic and glial communication. This issue has been largely neglected in neuroscience however recently the team could demonstrate by means of two-photon microscopy that Bergman glial cells can be activated specifically through AMPA receptors on the membrane of Bergman glia. This implicates that neuron ?glia communication are regulated in a highly selective way through glutamate release, furthermore it might explain the mechanism of rapid remodeling of extra-cellular space and the correlated motility of Bergman glia, a phenomenon hitherto unresolved.

Output, publication record and future prospects

Considering the size of the group the output publication wise is very good, both qualitatively in top ranking and high impact journals (including journals as Science, Nature Neuroscience and J. Neuroscience) as well as quantitatively. I expect that, based on the projects at hand this level of publication will continue to be high in the years to come. The international collaborations are extensively developed and team-members are actively involved in organizing and chairing national and international meetings

The quality of the research training for graduate as well as PhD. students is excellent in that the starting researcher has the opportunity of being exposed to a large number of novel techniques and sophisticated instruments. The training capacity and experience is very good, however I would recommend that due to limitations in instrumentation that are critical for the technique and application of the procedures, certain additional time has to be reserved in order to reach the level of expertise that is necessary to perform optimally. It is inherent to the application of new technologies that specific conditions need to be adjusted and optimized, this is a time consuming process that is often overlooked in the starting phase of a project. Another recommendation that I would like to make in this respect is the lab space, at certain moments it can be very crowded and temperature raises to such levels that management and feasibility of the working conditions are less optimal.

Added value to the community

Understanding how neurons wire the extremely highly complex network of synaptic contacts remains one of the most intriguing issues in brain research. Altered synapse formation and maturation is at the origin of many neurodevelopmental disorders and synaptic loss occurs during neurodegeneration. Gaining insight into the complexity will contribute to better understanding of fundamental processes in relation to learning and aging.

In short, the division is involved in first class research, the methodological approach is remarkably strong, the scientific expertise is outstanding and the research plans appear very suitable. I trust that the Division will continue to stay in the fore front of scientific research. Quality of the infrastructures/facilities is of top quality, graduate and Ph.D. students will be exposed to original and innovative research experiences that enable them to develop independent thinking and leadership qualities.

Okazaki, 28th June, 2008
J.J.L. van der Want
On three months leave from University Medical Center Groningen
Department of Cell Biology,
Molecular Imaging and Electron Microscopy
A.Deusinglaan 1
9713 AV Groningen
The Netherlands

(和訳)
レビュー報告
脳形態解析:レビューと評価

プログラム

重本教授によって主宰されている脳形態解析研究部門での研究の特徴は、焦点の絞られた分子生物学的ツールと生理学的、形態学的、行動学的研究の組み合わせにある。この部門の形態学者は活動、たとえば学習や発達、加齢に関係する構造変化を同定し調べることができ、生理学者は神経活動における変化を同定でき、それらが協同することによって、機能と構造の関連を理解することができる。これらのアプローチの間の交流は、新奇で根本的な研究の発展を刺激している。新たな技術の適用は基本的な問題に対する研究を促進するための触媒となっている。これら活動は共同して脳神経系の基本的な知識を得るために至適化され、総合的アプローチのための理想的な基盤を形成している。

組織

このチームはそれぞれが高度な技術を習得した専門家たちからなり、それぞれが異なるレベルの分子細胞レベルでの脳活動の詳細に関する研究を持ち寄り、神経生物学研究のための強固な基盤を形成している。ミーティングは英語で、毎週月曜の朝と最近の論文について議論する水曜日とに行われ、質の高いプレゼンテーションとポスドクや大学院生による議論、スタッフによる総括からなりたっている。これらの会合は他部門の研究者にもオープンにされており、頻繁にゲストが招かれ最近の成果について話す。レベルの高いプレゼンと詳細でタイムリーな議論は初学者に優れたトレーニングの機会を提供している。

この短い報告では、私は3カ月の滞在期間中によく知ることになったいくつかのプロジェクトについてのみ、重点的に記すことにする。

まず最初は、小胞性トランスポーター、伝達物質受容体、イオンチャネルなどの位置を決め、シグナル伝達に重要な役割を持つ特定の分子の局在を調べる研究についてである。この方面の研究は高感度な凍結割断レプリカ免疫標識電子顕微鏡法を含んでいる。 この方法は細胞膜に沿った分子の2次元的分布を明らかにする。この実験アプローチは、膜分子局在の研究に最も適切であり、明瞭な学際的性格を持っている。私の知る限りでは、この高度な技術を駆使し、かつうまく適用しているラボは世界にも少なく、おそらく二つしかない。現在の研究は世界レベルでみても一級品であり、興奮性伝達におけるグルタミン酸受容体の同定と局在の分野をリードしている。

第二に、新たに生起している問題を扱うもので受容体やチャネルの局在といった分子レベルからスライスでのパッチクランプや活動記録のレベル、さらに生体内での新たに獲得された行動(視機性反応、協同運動)といった機能レベルに至る、斬新で非常に有望な研究である。このテーマは受容体が数々の正常および病的プロセスに関係していることから、大変興味深い問題である。分子の分布や細胞膜での受容体の動態を知ることは、その受容体の神経活動における意味を知る上で必須である。この新しい方法と関連してシナプス間隙のグルタミン酸の拡散をシュミレートした研究は、インターネットを通じて公開されている。この方法は他のどの伝達物質や受容体であれ、受容体キネティックスと拡散の性質が分かれば適用できるものである。

第三に電気生理学と免疫細胞化学的方法を用いた、内臓逆位の変異マウスの左右非対称性の研究がある。研究チームはこのマウスの脳が左右非対称性を欠いており、NMDA受容体サブユニットのNR2Bのシナプス分布が両側で右側の性質を示すことを世界で初めて示した。

4番目にシナプスとグリア細胞のダイナミックな再構成の研究がある。この問題は神経科学の中でほとんど無視されてきたが、最近研究チームは二光子顕微鏡を用いて、小脳のバーグマングリア細胞がAMPA型グルタミン酸の活性化によって特異的に活性化されることを見出した。このことは、神経細胞ーグリア間の情報交換が高度に特異的なグルタミン酸放出を通じて調節されていることを示し、現在よく知られていない、素早い細胞外空間の再構成とバーグマングリアの 動きを説明するものかもしれない。

成果の論文発表と将来性

このグループのサイズを考慮すれば、論文発表はよく行われており、量のみならず質的にトップレベルであるとともに、高インパクトの雑誌 (Science, Nature Neuroscience, J. Neuroscienceを含む) に発表されている。現在進行中の研究に基づいて考えれば、このレベルの論文発表は今後当分のあいだ継続されることが期待できる。国際共同研究は大変広範囲に行われており、このチームのメンバーは国内外の学会のチェアや開催にも活発に関与している。

学生に対する研究トレーニングの質についても、研究を始めた当初から多くの新しい技術や高度な設備に触れられるなどの面で優れている。スタッフのトレーニング 能力や経験も豊富である。しかしながら、これらの技術やその適用にとって決定的に重要な設備に一定の制限があることから、もっと効率的に研究を行える技術レベルに到達するためには、もう少し時間的な余裕が必要であると感じる。元来新しい技術の適用のためには特別の条件が調整され至適化されることが必要であり、この過程は大変時間がかかるものだが、研究プロジェクトの開始時には見落とされがちである。この点でもう一つ指摘しておきたいことは、ラボスペースの問題である。ある時期にはラボが大変混み合っていて、管理業務や労働環境を障害するほどに温度が上昇することがある。

研究グループへの付加的な助言

神経細胞が極めて複雑なシナプス結合のネットワークをどのように形成するのかを理解することは、脳研究の最も興味深い問題の一つとして残っている。シナプス形成と成熟が変化することは、多くの神経発生障害の起源であり、神経変性の際にはシナプスが失われる。この複雑性に関する洞察を得ることは学習や加齢に伴う基本的なプロセスをよりよく理解する上で有用となろう。

まとめると、この部門は第一級の研究を行っており、方法論的なアプローチは非常に強力であり、科学的な専門性は傑出しており、研究プランは非常に適切なものである。私はこのチームが科学研究の最前線を走り続けると信じている。機器や設備の質は最高であり、学生達は独創的で革新的な研究経験を積み、独立した考え方と指導的な役割を果たせるように成長しうる環境にある。

2008年6月28日 岡崎にて
J.J.L. ヴァン・デア・ヴァント
グローニンゲン大学医学センターUniversity Medical Center Groningen
細胞生物学部
分子イメージング電子顕微鏡室
A.Deusinglaan 1
9713 AV グローニンゲン
オランダ

1.2 金沢大学 少作 隆子 教授

大脳皮質機能研究系脳形態解析研究部門 重本隆一教授の評価にあたって

金沢大学 医薬保健研究域保健学系
少作 隆子

外部評価委員の一人として12月15日に重本教授率いる脳形態解析研究部門を訪問し、研究室内および共同利用研究施設を見学するとともに、教授および教室員より研究内容の説明を受けた。これらの視察の結果に加え、外部評価用に作成して頂いた資料などを元に、同部門についての所見を述べる。

重本教授は1999年に着任して以来、電子顕微鏡レベルでの免疫標識法などの形態学的手法と電気生理学的手法を組み合わせ、神経細胞膜上の受容体やチャネル分子の機能とミクロな局在を詳細に調べる研究を行って来た。2004年までのすぐれた研究業績については、すでに2度の外部評価報告書にまとめられておりここでは省略するが、それ以降の2005-2008年の4年間の業績としては36編の英語論文があり、その多くはNature Neurosci, PNAS, Neuron, J Neurosciなどの一流国際誌に掲載されている。同部門の研究の強みは何といってもそのすぐれた技術力である。重本教授らは藤本博士が報告した凍結割断レプリカ標識法(SDS-FRL)に改良を加え、金粒子1個あたり機能的チャネル1個を検出できるほどの高感度・高定量性の実現に成功した。また、この方法により複数の分子の細胞膜での共存を二次元的に調べることも可能であり、同部門のSDS-FRL法による研究は国際的にも高く評価されている。国内、海外を問わず多くの一流研究グループより研究協力を依頼され、その成果がNature NeurosciやNeuronなどの一流雑誌に掲載されるという事実が何よりもそのことを物語っている。

同部門は現在、重本教授、深澤助教、松井助教、釜澤特任助教の4名のスタッフと、3名の研究員、4名の大学院生、それぞれ1名の技術職員と秘書、7名の技術支援員より構成されている。籾山准教授が2008年に東京慈恵会医科大学の教授として転出したため現在准教授は公募中であり、新准教授の専門次第では同部門の研究内容にさらなる多様性が生まれることが期待される。最近の主な研究をすべて記載することは紙面上不可能なため、以下に2つのプロジェクトについてのみ紹介する。

AMPA型受容体の分布および数の決定

小脳の興奮性シナプスでのAMPA型グルタミン酸受容体の分布を調べ、いくつかの興味深い結果を報告している。2005年には、河西教授との共同研究により、2光子顕微鏡とcaged glutamateを用いた電気生理学的手法と定量的SDS-FRL法を組み合わせ、幼若ラットの登上線維-プルキンエ細胞シナプスでのAMPA型受容体チャネル数を決定した。また、この研究はSDS-FRL法が金粒子1個あたり機能的チャネル1個を検出するほどの高感度であることを証明した。2007年には成体ラットを用い、AMPA型受容体の分布様式がシナプスのタイプにより異なり、登上線維-プルキンエ細胞シナプスや平行線維-介在ニューロンシナプスではAMPA型受容体の密度が一定であるのに対し、平行線維‐プルキンエ細胞シナプスでは大きなバラツキが見られることを報告した。その後さらに学習との関係を調べ、分?時間オーダーの記憶がAMPA型受容体の密度変化としてシナプスに蓄えられることを示唆した。以上の小脳での研究と並行し、AMPA型受容体の分布を調べる研究を他の領域にも拡大し、それぞれのシナプスでの特徴を明らかにすると共に、AMPA型受容体密度のバラツキと可塑性との関係をさらに強く示した。これら一連の研究の結果は、シナプス機能の動的変化を静的な分子の分布から読み取ることが可能であることを意味し、生理学者に大きなインパクトを与えた。

脳の左右非対称性

同部門のもう1つの大きなプロジェクトは脳の左右非対称性についての研究である。九州大学との共同研究により2003年にすでにNMDA型グルタミン酸受容体のNR2Bサブユニットの含有が、海馬CA1錐体細胞頂上樹状突起に同側入力するシナプスでは左の方が右より多いことを報告している。この研究を発展させ、2005年にはNR2Bの左右非対称性は錐体細胞特異的で、介在ニューロン上のシナプスでは左右差がみられないことを、2008年には内蔵の左右非対称性の形成に異常の見られるiv変異マウスでは脳のNR2Bの左右非対称性が失われることを報告した。さらに、NR2Bのみならず、AMPA型受容体のGluR1サブユニットやシナプスあるいはスパインの大きさや形にも左右非対称性が表れていることを明らかにした。これらの研究は脳の左右差を分子レベルで示した画期的なものであり、ヒトの脳の機能的左右差の理解に繋がるものとして世界的な注目を集めている。

以上の学問的な評価とは別に、重本研究室の教室ミーティングに参加しての感想を書かせて頂く。週に1回開かれるというそのミーティングでは、スタッフ・研究員・大学院生が一人一人実験の進み具合を英語で報告し、問題があれば、それをどうやって克服するか、どのように実験をすすめてゆくべきか、を知恵を出し合う形で活発に議論(英語で)していた。海外では普通のことかも知れないが、国内の標準的な医学部の研究室の場合は教授主導となりがちで、他の研究員がなかなか口出しできない雰囲気となる場合が多いように感じるのであるが、ここでは自由に発言できる雰囲気が漂っており、きわめて民主的な教室運営がなされているとの印象を受けた。ノーベル物理学賞を受賞された小林・益川両博士の場合を引き合いに出すまでもなく、自由な雰囲気の研究室は若い研究者の力を発揮させるための不可欠の要素であり、この点についても同部門を高く評価したい。

以上のように同部門は学問的・人間的にすぐれた指導者の元で個々の研究者が力を発揮し研究成果を着実に挙げている。多くの若者がこのすばらしい研究環境で学び育つことを願うものであるが、現在同部門の大学院生はわずか4名であり、しかもすべて海外からの留学生であることは非常に「もったいない」思いがする。「研究者の育成」もまた生理研の重要な役割の1つであり、より多くの若者にチャンスを与えて欲しいと強く希望する。

1.3 北海道大学 渡辺雅彦 教授

大脳皮質機能研究系脳形態解析研究部門 重本隆一教授の外部評価

北海道大学 大学院医学研究系・解剖学講座
渡辺雅彦

重本教授が主宰する脳形態解析研究部門の2004年から過去5年間における研究活動について、サイトビジットにおいて説明と質疑を行い、研究業績資料の提出を受けた。同じ神経形態学的研究を推進している立場から、いくつかの観点に沿って評価を記載する。

研究の生産性

過去5年間(2004?2008年)に37編の英文原著論文と3編の英文総説を出版している。そのインパクトファクターの総点は221.6、論文当たりの平均値は5.5である。その内訳を見ると、重本教授がラストオーサーとなって出版している8編の英文原著論文は、PNAS1編, J. Neurosci.5編、Eur. J. Neurosci.1編、J. Comp. Neurol.1編と神経科学・神経形態学領域のトップジャーナルにコンスタントに掲載され、そのインパクトファクターの総点は54.6、論文当たりの平均値は6.8である。さらに、Oxford大学のP. Somogyi教授やハンガリー国立アカデミー研究所のTF. Freund教授など、国内外の著明な研究者との活発な共同研究を通して、Nature Neurosci, Neuron、Cerebral Cortex、Hippocampus、J. Neurosci.などの一流誌への原著論文の出版に実質的な貢献をしている。これらの数量的データは、高いレベルの研究生産性を過去5年間において維持し発展させて来たことを物語っている。一方で、今後の当該部門のより一層の充実と発展のためには、所属の職員やポスドク等の研究者が主体となる研究論文が今後増加していくことが望まれる。

研究の国際性

過去5年間において、重本教授はIBROや国際解剖学会、国際顕微鏡学会などにおいて14回の国際学会講演を行い、この点からも積極的に研究成果を発信していると評価できる。2008年3月には、オーガナイザーとして第38回生理研・総研大国際カンファレンスも主催している。さらに、2名の外国人留学生、4名の外国人ポスドク、4名の外国人客員教授も受入れ、生理研を拠点とした国際的な研究指導や共同研究も活発に推進しており、今後もこのような国際的な研究活動を継続されたい。

研究の独創性

当該部門が主体となって強力に推進している研究は、ニューロンの興奮性やシナプス伝達・可塑性の基盤となる分子(グルタミン酸受容体、GABA受容体、HCNチャネル、Kvチャネル、Cavチャネル、t-SNAREタンパクなど)に関する高分解能で定量的な局在解明である。中でも、1金粒子?1受容体の検出限界にまで高めたSDS処理凍結割断レプリカ免疫電顕法(SDS-FRL)は重本研究グループなしには語れない独創的な解析技法であり、受容体やイオンチャネルの数と密度の定量的比較を可能にした(Tanaka et al., J. Neurosci., 2005; Masugi-Tokita et al., J. Neurosci., 2007)。このSDS-FRLによる定量的解析データを、従来の免疫電顕解析結果や電気生理学的測定結果との対応関係を通して分子の数と分布と機能との相互関係に肉薄するとともに、従来の解析方法では到達困難であったナノスケールでの空間解像度を達成している。重本教授が1999年の生理学研究所赴任以来取組んできたこの研究が、地道で長い方法論の改良と検討を重ね、この5年間において大きく実を結び始めたといえる。共同利用機関としての生理学研究所の役割や、SDS-FRL用いた研究による神経科学研究へのインパクトを考慮すれば、今後一層国内外の共同研究を推進されることを望む。

研究の展開

上述の分子局在解析技法の開発に留まらず、これを神経科学上の重要問題の解決に向けて積極的に展開している。その第1点として、シナプス膜やシナプス外膜における受容体やイオンチャネルなどの二次元的分布特性を明らかにしていることである。この研究推進により、特定の小脳シナプスにおけるAMPA受容体密度の算定とそのばらつき度(Tanaka et al., Neurosci., 2005)、AMPA受容体の入力選択的なモザイク状分布(Masugi-Tokita et al., J. Neurosci., 2007)、脊髄後角におけるAMPA受容体とNMDA受容体の共局在性とシナプスサイズとの相関性(Antal et al., J. Neurosci., 2008)、終末部アクティブゾーンにおける放出分子の集積度評価(Hagiwara et al., J. Comp. Neurol., 2005)などの斬新な事実を次々と明らかにしている。この研究が行き着く先は、学習やシナプス可塑性の基盤となる情報伝達分子の数や分布の変化であることは間違いなく、シナプスの動的特性や記憶の分子形態基盤確立へ向けた応用展開を今後の課題として取り組んでほしい。  研究展開の第2点は、脳機能の左右非対称性の形成メカニズムへの挑戦である。この挑戦の端緒は、NMDA受容体遺伝子欠損マウスにおける入力選択的な機能阻害を見いだした九州大学の伊藤功准教授との共同研究である。重本教授らは、これをNMDA受容体のNR2Bサブユニットの海馬内配置において左右差が存在し(Kawakami et al., Science, 2003)、これと逆方向の非対称性がAMPA受容体のGluR1サブユニットに存在し、さらにシナプスやスパインの大きさや形にまで左右非対称性が及んでいることを明らかにしている(Shinohara et al., PNAS, 2008)。さらに、内臓の正位と逆位がランダムに起こる変異マウスの脳では、内臓の正位・逆位に関わらず両側の海馬が右の表現型となることも見いだしている(Kawakami et al., PLoS One, 2008)。今後、脳の分子群の左右非対称性形成の分子メカニズムの解明や、その生理的意義の解明に期待したい。

総評

重本教授が主宰する部門は、緻密で正確な分子配置の定量的解析の方法開発および応用解析と精力的に取組み、すでに他の追随を許さない研究領域を開拓したといって過言ではない。形態学を主軸として、これに電気生理学、遺伝子工学、行動学、シュミレーションなども積極的に取り入れ、国内外の優秀な研究者や将来有望な若手研究者とのネットワークも広がっており、今後より一層の発展を期待したい。