JP2005147686A - Apparatus for collecting intracerebral substance - Google Patents

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Keiko Kato
啓子 加藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for collecting an intracerebral substance, analyzing the collected intracerebral substance, and giving new knowledge regarding the plasticity of the brain and a neural network system. <P>SOLUTION: The apparatus for collecting the intracerebral substance comprises a stimulus means for intending to give a stimulus to a nerve nucleus at the intracerebral upstream; and a means for collecting the intracerebral substance intended to be mounted to a plurality of nerve nuclei at the downstream existing in a stimulus propagation path for propagating a stimulus by the stimulus means. Additionally, a model mouse comprises a stimulus means for giving a stimulus to the nerve nucleus at the intracerebral upstream; and a means for collecting the intracerebral substance to be mounted to the plurality of nerve nuclei at the downstream existing in the stimulus propagation path for propagating a stimulus by the stimulus means. Further, a method for analyzing a signal transmission system substance uses the model mouse. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、脳内物質の回収装置及びモデルマウス並びに当該モデルマウスを用いたシグナル伝達物質の分析方法であって、特に、神経核への刺激を利用した脳内物質の回収装置及びモデルマウス並びに当該モデルマウスを用いたシグナル伝達物質の分析方法に関する。   The present invention relates to a brain substance collection apparatus and model mouse, and a method for analyzing a signal transduction substance using the model mouse, and more particularly, a brain substance collection apparatus and model mouse using stimulation to the nerve nucleus, and The present invention relates to a method for analyzing a signal transduction substance using the model mouse.

神経ネットワークは、さまざまな指令を発する中枢神経とそれを伝達する末梢神経に大別される。神経系の細胞はニューロン(神経細胞)とニューロンの働きを助けるグリア細胞に分けることができる。ニューロン同士はシナプスと呼ばれる接合部位を介して連絡している。一つのニューロンは、数千以上のシナプスから情報が化学的信号である神経伝達物質として伝達され、その情報を細胞体と樹状突起にあるイオンチャネルで受容する。その結果ニューロン内では膜電位の変化を生じ、発生した活動電位が軸索にそって神経末端に送られる。ここに多くの分子が関与し、それらの相互作用により情報の伝達効率の変化(可塑性)が生ずる。このようなニューロンの働きによって、学習、記憶、思考といった高次の機能が発揮されている。   Neural networks are broadly divided into central nerves that issue various commands and peripheral nerves that transmit them. Nervous cells can be divided into neurons (nerve cells) and glial cells that help the neurons. Neurons communicate with each other through a junction called a synapse. One neuron receives information from more than several thousand synapses as a neurotransmitter that is a chemical signal, and receives that information through ion channels in the cell body and dendrites. As a result, a change in membrane potential occurs in the neuron, and the generated action potential is sent along the axon to the nerve terminal. Many molecules are involved here, and their interaction causes a change in information transmission efficiency (plasticity). High-order functions such as learning, memory, and thinking are exhibited by the function of such neurons.

中枢神経系には、脳及び脊髄が含まれる。このうち脳は、複雑な神経回路網により成り立っており、外界の変化に適応しながら血液循環や呼吸といった生命維維持に不可欠な機能や本能的欲求などだけでなく、認識、運動制御、意識、情動、記憶学習などの高次機能など知情意のすべてを司る。   The central nervous system includes the brain and spinal cord. Among these, the brain is composed of a complex neural network, adapting to changes in the outside world, and not only functions such as blood circulation and breathing and instinctive needs, but also recognition, motor control, consciousness, It manages all of the sympathy such as emotions and higher-order functions such as memory learning.

例えば、学習、記憶の細胞レベルでの基礎過程を例にあげれば、神経可塑性に伴った神経回路の改変、新生が知られている。これは、長期的、持続的な神経の可塑的変化に伴い、神経細胞が新たに神経連絡を持つようになり、今までの連絡経路を変更しながら、協調性のある機能発現を示すようになり、結果として、記憶学習能力を獲得するようになることである。   For example, taking a basic process at the cellular level of learning and memory as an example, modification and new generation of a neural circuit accompanying neuroplasticity are known. This is because long-lasting and persistent nerve plasticity changes, so that nerve cells newly have neural communication, and change their existing communication pathways, exhibiting coordinated function expression As a result, the memory learning ability is acquired.

近年、完成された成体の脳にも神経幹細胞が存在し、新しい神経細胞が生まれることが判ってきた。その一方で、殆どの脳内神経細胞は生後すでに決定されており、神経可塑性が脳の障害や変性疾患からの回復に役立っている。また、可塑性反応が過剰であるか、又は、コントロール下から外れた場合には、てんかんやストレス障害などの脳の機能的障害を生じる。   In recent years, it has been found that neural stem cells also exist in the completed adult brain, and that new neurons are born. On the other hand, most neurons in the brain are already determined after birth, and neuroplasticity is helpful in recovering from brain damage and degenerative diseases. Also, if the plastic response is excessive or goes out of control, it causes brain functional disorders such as epilepsy and stress disorders.

このように神経の可塑的変化を分子レベルでみると、種々の細胞内外の情報伝達機構が関わっていると考えられる。   Thus, when the plastic change of the nerve is seen at the molecular level, it is considered that various intracellular and external information transmission mechanisms are involved.

近年、T細胞と抗原提示細胞間の情報伝達部位は、機能様式が神経細胞のシナプスに似ていることから、immunological synapseと呼ばれている。一方、古くから、リンパ球の活性化にレクチンが代用されており、immunologizal synapse における糖鎖分子の作用が示唆されていた。最近の知見で、ST3Gal IがCD8やCD43のシアル酸を付加することが、CD8+T細胞の抗原認識能や活性化・メモリーT細胞への分化に深く関わっており、この現象が、ST3Gal Iの発現量の減少に依存することが明らかとなっている(Cell(2001)107:501、Immunity (2000)12:273)。
Cell(2001)107:501、Immunity(2000)12:273
In recent years, the signal transduction site between T cells and antigen-presenting cells has been called immunological synapse because its function is similar to that of neuronal synapses. On the other hand, lectins have been substituted for lymphocyte activation for a long time, suggesting the action of sugar chain molecules in immunologizal synapse. According to recent findings, the addition of CD8 and CD43 sialic acid by ST3Gal I is deeply involved in the antigen recognition ability of CD8 + T cells, activation and differentiation into memory T cells, and this phenomenon is the expression of ST3Gal I It has been shown to depend on a decrease in the amount (Cell (2001) 107: 501, Immunity (2000) 12: 273).
Cell (2001) 107: 501, Immunity (2000) 12: 273

しかしながら、前述の脳内物質を回収する方法は、刺激伝播経路にあたる複数の神経核から回収することができなかった。その上、特に小型動物であるマウスを利用したものは、不可能であると考えられていた。   However, the above-described method for recovering brain substances cannot be recovered from a plurality of nerve nuclei corresponding to the stimulus propagation path. Moreover, it was considered impossible to use a mouse, which is a small animal.

また、脳の構造的特徴のために、すなわち、脳は、複雑に入り組んだ神経回路網によって成立し、特定の神経領域においても、機能が異なる神経細胞・グリア細胞等の異種集団から構成されているために、分子レベルでの機能発現機構及び情報伝達メカニズムに関する研究報告がほとんど行なわれていないのが現状である。   Also, because of the structural features of the brain, that is, the brain is composed of complex neural networks and is composed of heterogeneous populations such as neurons and glial cells that have different functions even in specific nerve regions. Therefore, there are almost no reports on the function expression mechanism and information transmission mechanism at the molecular level.

上述の神経核からの物質を回収し、分析することが可能であれば、脳の可塑性に関する新たな知見を見出すことができると共に、神経回路系のメカニズムに関してもより多くの情報を得ることができる。   If it is possible to collect and analyze substances from the above-mentioned nerve nuclei, it will be possible to discover new knowledge about brain plasticity and to obtain more information about the mechanisms of the neural circuit system. .

そこで、本発明は、脳内物質を回収し、さらに回収された脳内物質を分析し、脳の可塑性、神経回路系に関する新たな知見を与え得る装置、及び分析方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an apparatus and an analysis method that can collect a substance in the brain, further analyze the collected substance in the brain, and provide new knowledge about the plasticity of the brain and the neural circuit system.

上記目的を達成するために、発明者らは、一連の神経回路系において、刺激の伝播経路中の神経核の重要性に着目し、モデルマウスを利用して鋭意研究した結果、本発明の脳内物質の回収装置、モデルマウス及び当該モデルマウスを用いた情報伝達物質の分析方法を見出すに至った。   In order to achieve the above object, the inventors focused on the importance of the nucleus in the propagation path of the stimulus in a series of neural circuit systems, and as a result of earnest research using model mice, It came to find the internal substance collection | recovery apparatus, the model mouse, and the analysis method of the information transmission substance using the said model mouse.

本発明の装置によれば、一連の刺激伝播経路中に存在する神経核に生じる情報を連続的に把握し得るという有利な効果を奏する。   According to the apparatus of the present invention, there is an advantageous effect that information generated in a nerve nucleus existing in a series of stimulus propagation paths can be continuously grasped.

また、本発明のモデルマウスは、刺激伝播経路内の複数箇所の神経核から、刺激に対応した脳内物質を回収することができる。これによって、刺激伝播経路内の物質の変化及び経路内での物質輸送のアルゴリズムを特定の神経回路内で解析することができるという有利な効果を奏する。   In addition, the model mouse of the present invention can collect brain substances corresponding to the stimulus from a plurality of nerve nuclei in the stimulus propagation path. Thereby, there is an advantageous effect that an algorithm of a substance change in the stimulus propagation path and a substance transport algorithm in the path can be analyzed in a specific neural circuit.

また、本発明によれば、新規脳内物質の発見に役立たせることができるという有利な効果を奏する。   Moreover, according to this invention, there exists an advantageous effect that it can be made useful for discovery of the novel brain substance.

また、本発明によれば、薬剤効果を刺激応答時に複数箇所で調べることができるという有利な効果を奏する。   Moreover, according to this invention, there exists an advantageous effect that a chemical | medical agent effect can be investigated in multiple places at the time of a stimulus response.

本発明の脳内物質の回収装置は、脳内の上流の神経核へ刺激を行なうことを意図する刺激手段と、前記刺激手段による刺激を伝播する刺激伝播経路中に存在する下流の複数の神経核に取り付けることを意図する脳内物質回収手段、とを有する。ここで、上流とは、神経系内を流れる情報の源を主として意味し、例示すれば、刺激を与えた部分ということができる。下流は、情報が送られてくる源、いわゆる情報源を、受け取る側を主として意味する。扁桃体―海馬―視床―大脳皮質で構成される大脳辺縁系を用いて、説明すれば、刺激を扁桃体に加えた場合には、扁桃体側が上流を意味し、大脳皮質側は逆に下流を意味する。
また、刺激手段は、神経回路の情報の流れを見るための刺激を与えるためのものであり、上流の神経核へ刺激を与えることが可能であれば、特に限定されるものではない。このような刺激としては、電気刺激、限局部位への薬剤投与、限定神経回路切断、学習等を挙げることができる。刺激としては、電気的刺激を用いるのが好ましい。
The intracerebral substance collection device of the present invention comprises a stimulation means intended to stimulate an upstream nucleus in the brain, and a plurality of downstream nerves present in a stimulation propagation path for transmitting the stimulation by the stimulation means. And means for collecting substances in the brain intended to be attached to the nucleus. Here, upstream means mainly the source of information flowing in the nervous system. For example, it can be said that it is a stimulated part. Downstream mainly means the side that receives the source from which information is sent, the so-called information source. Using the limbic system composed of the amygdala-hippocampus-thalamus-cerebral cortex, when explained, when the stimulus is applied to the amygdala, the amygdala side means upstream, while the cerebral cortex side means downstream To do.
The stimulating means is not particularly limited as long as it provides a stimulus for viewing the information flow of the neural circuit and can provide a stimulus to the upstream nerve nucleus. Examples of such stimulation include electrical stimulation, drug administration to a limited site, limited neural circuit disconnection, learning, and the like. As stimulation, it is preferable to use electrical stimulation.

電気的刺激に用いる電極としては、種々挙げることができ、特に限定されるものではない。例えば、タングステン、焼結チタン、焼結窒化チタン、及びマイクロポーラス炭素又は黒鉛を材料に微細孔電極などを使用することができる。電極は、表面積を広げるために電極表面を研磨等してもよい。その他、チタン、白金、イリジウムなどを用いた多孔性のものを使用してもよい。要するに、当該刺激手段は、目的とする脳内物質、神経回路網など諸般の事情によって、適宜変更して使用するべきものであり、本発明において上述のもの、又は必要性に応じて他の素材の刺激電極を使用することができる。但し、動物内に設置する場合には、劣化を防止するという観点から、好ましくは、タングステン線を挙げることができる。   Various electrodes can be used for the electrical stimulation and are not particularly limited. For example, a microporous electrode or the like can be used with tungsten, sintered titanium, sintered titanium nitride, and microporous carbon or graphite. The electrode may be polished or the like to increase the surface area. In addition, a porous material using titanium, platinum, iridium or the like may be used. In short, the stimulating means should be used by appropriately changing it according to various circumstances such as the target brain substance, neural network, etc., and the above-mentioned in the present invention, or other materials depending on necessity Stimulation electrodes can be used. However, when installed in an animal, a tungsten wire can be preferably used from the viewpoint of preventing deterioration.

また、脳内物質回収手段は、刺激手段による刺激を伝播する刺激伝播経路中に存在する下流の複数の神経核に取り付けられる。本装置は、上流の神経核からの情報がどのように伝播され、下流の神経核にどのような指示を与えるのかを把握できるばかりでなく、脳の可塑性のメカニズム、当該可塑性に関与する種々の新規情報伝達物質をも把握することが可能である。このような新規情報伝達物質の知見によって、種々の疾患の原因を解明することも可能である。   The brain substance recovery means is attached to a plurality of downstream nerve nuclei existing in the stimulus propagation path for transmitting the stimulus by the stimulus means. This device not only knows how the information from the upstream nucleus is propagated and gives instructions to the downstream nucleus, but also the mechanism of the plasticity of the brain and the various types of plasticity involved. It is also possible to grasp new information transmission substances. It is also possible to elucidate the causes of various diseases based on the knowledge of such novel information transmission substances.

本発明に適用可能な神経回路としては特に限定されず、種々の神経回路系に対して適用可能である。例えば、神経回路系としては、以下の実施例においては、扁桃体−海馬―視床―大脳皮質の大脳辺縁系を挙げているが、その他に、視覚系、聴覚系などを含む知覚系、運動系なども挙げることができる。   The neural circuit applicable to the present invention is not particularly limited, and can be applied to various neural circuit systems. For example, as the neural circuit system, the amygdala-hippocampus-thalamus-cerebral cortex limbic system is cited in the following examples, but in addition, the perceptual system including the visual system, the auditory system, and the motor system And so on.

次に、本発明のモデルマウスについて説明する。本発明のモデルマウスは、脳内の上流の神経核への刺激を行なうことを意図する刺激手段と、前記刺激手段による刺激を伝播する刺激伝播経路内に存在する下流の複数の神経核に取り付けることを意図する脳内物質回収手段、とを有する。   Next, the model mouse of the present invention will be described. The model mouse of the present invention is attached to a stimulation means intended to stimulate an upstream nucleus in the brain, and a plurality of downstream nerve nuclei existing in a stimulation propagation path for transmitting the stimulation by the stimulation means. And means for collecting substances in the brain that are intended.

本発明に係るモデルマウスは、上述の刺激手段、脳内物質回収手段とを有していれば、特に限定されることはない。通常のマウス(何ら処理されていない野生型マウス)はもちろんのこと、目的に応じて、ノックアウトマウス、ノックインマウス、トランスジェニックマウスを作製後、刺激手段、脳内物質回収手段を設置してもよい。また、これらはマウスに限定されず、他の動物においても適用可能である。   The model mouse according to the present invention is not particularly limited as long as it has the above-described stimulation means and brain substance collection means. Depending on the purpose, as well as normal mice (wild-type mice that have not been treated at all), after preparing knockout mice, knockin mice, and transgenic mice, stimulation means and brain substance collection means may be installed. . Moreover, these are not limited to mice, but can be applied to other animals.

本発明においては、また、当該マウス等の動物を使用して、神経細胞内の情報伝達物質の分析をすることができる。本発明の分析方法は、動物を使用するものである。このような情報伝達物質としては、アセチルコリン、カテコールアミン、セロトニン、ヒスタミン、アデニンヌクレオチドのほか、グルタミン酸、GABA、グリシン等のアミノ酸を挙げることができる。   In the present invention, an animal such as the mouse can also be used to analyze information transmitters in nerve cells. The analysis method of the present invention uses animals. Examples of such information transmitting substances include acetylcholine, catecholamine, serotonin, histamine, and adenine nucleotide, as well as amino acids such as glutamic acid, GABA, and glycine.

例えば、ある特定遺伝子の発現、視床神経細胞、及び当該神経連絡経路の可視化し、細胞間及び細胞外環境における分子レベルでの解明を目的とする場合、野生型の上記マウス等の動物、又は当該特定遺伝子を改変した上記マウス等の動物を使用して行なうことができる。本発明においては、上記マウス等の動物を利用して、神経細胞、グリア細胞、血管内皮細胞、脈絡膜内皮細胞等由来の情報伝達物質の分析を行なうことができる。例えば、これら細胞内の情報伝達物質の分析を、脳内の上流の神経核への刺激が伝播される経路中に存在する下流の複数の神経核及びその近傍の脳内物質を分析することにより行なうことができる。   For example, when visualizing the expression of a specific gene, the thalamic nerve cell, and the nerve communication pathway for the purpose of elucidation at the molecular level between cells and in the extracellular environment, an animal such as a wild type mouse or the like It can be carried out using an animal such as the above-mentioned mouse in which a specific gene is modified. In the present invention, it is possible to analyze information-transmitting substances derived from nerve cells, glial cells, vascular endothelial cells, choroidal endothelial cells, and the like using animals such as the aforementioned mice. For example, the analysis of intracellular signaling substances can be performed by analyzing multiple downstream nerve nuclei and nearby brain substances that exist in the path of transmission of stimuli to the upstream nerve nuclei in the brain. Can be done.

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明は、下記実施例に限定して解釈される意図ではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not intended to be interpreted as being limited to the following examples.

実施例1
まず、分子レベルでの神経回路系におけるメカニズムを解明するために、モデル動物としてマウスを用いて、情報伝達メカニズムを調べた。
Example 1
First, in order to elucidate the mechanism in the neural circuit system at the molecular level, we investigated the information transmission mechanism using mice as model animals.

糖鎖修飾が様々な生命機能に関与し、特に、免疫系・癌転移に関しては、細胞間及び細胞外環境における糖鎖分子の認識・応答シグナルが、細胞内情報伝達系へ伝わる仕組みの解明が進められていることから、糖鎖分子に着目した。糖鎖構造は、下等動物とヒトを含む哺乳動物とはかなり異なる。例えばハエ・線虫は、一連の個体・細胞・分子レベルの解析に有効であるが、シアル酸をほとんど持たないという特色がある。   Glycosylation is involved in various vital functions, especially regarding immune system and cancer metastasis, elucidation of the mechanism by which sugar chain molecule recognition and response signals between cells and in the extracellular environment are transmitted to the intracellular signal transduction system. Because of the progress, we focused on sugar chain molecules. The sugar chain structure is quite different between lower animals and mammals including humans. For example, flies and nematodes are effective for analysis of a series of individual, cell, and molecular levels, but have a feature that they hardly have sialic acid.

また、発生・分化や癌化の誘導には、様々な遺伝子発現の変動を伴うが、近年、生命現象に関わるシグナル伝達系の初発段階に糖鎖が関与している例があげられてきた。例えば、Notchシグナルは、細胞の運命決定に重要な役割を果たす。このNotchシグナルは、糖転移酵素であるFringeがNotchのO-fucoseへアセチルグルコサミンを付加することから始まる。そしてこのNotchシグナルは、fringeの発現場所・時期に厳密に支配され、その後、多くの因子(Notch自身,Delta, Serrate, Wingless等)の発現誘導や抑制が生じる (Segmentation Clock)。また、ST3Gal Iの基質分子であるCD43やそのCD43に結合するmoesinが、T細胞の活性化や癌化に伴い発現変動を示すことも知られている。一方で神経系においても、プロテオグリカン・syndecan-2に結合するPDZ domain protein・CASKは、Linを介してNMDAレセプターに結合している。このCASKが、T-box転写因子と共に核に入り、遺伝子発現の調節を行っている可能性が示唆されている。また、成熟脳の神経細胞膜上に局在するプロテオグリカン・glypicanやbiglycanが、直接核に移行する知見も報告されている。しかしながら、神経系において、糖鎖修飾とシグナル伝達系を結びつける知見はない。神経の可塑的変化に連動した発現上昇を示す、ST3Gal IVに関連したシグナル伝達系が存在する可能性は高く、ST3Gal IVの発現に連動した発現誘導や抑制を示す因子の存在が予想される。   In addition, the induction of development / differentiation and canceration is accompanied by fluctuations in various gene expressions, but in recent years, examples have been given in which sugar chains are involved in the initial stages of signal transduction systems related to life phenomena. For example, the Notch signal plays an important role in determining cell fate. This Notch signal begins with the addition of acetylglucosamine to Notch O-fucose by Fringe, a glycosyltransferase. This Notch signal is strictly governed by the fringe expression location and timing, and then many factors (Notch itself, Delta, Serrate, Wingless, etc.) are induced and suppressed (Segmentation Clock). It is also known that CD43, which is a substrate molecule of ST3Gal I, and moesin that binds to CD43 exhibit expression changes with T cell activation and canceration. On the other hand, PDZ domain protein CASK that binds to proteoglycan syndecan-2 is also bound to the NMDA receptor via Lin in the nervous system. It has been suggested that CASK may enter the nucleus together with T-box transcription factors to regulate gene expression. In addition, it has been reported that proteoglycans such as glypican and biglycan, which are localized on the nerve cell membrane of the mature brain, are directly transferred to the nucleus. However, in the nervous system, there is no knowledge that links sugar chain modification and signal transduction system. There is a high possibility that there is a signal transduction system related to ST3Gal IV that shows an increase in expression linked to nerve plastic changes, and the presence of a factor that shows expression induction or suppression linked to ST3Gal IV expression is expected.

また、糖鎖分子は、一連の糖転移酵素群の連携により合成される。従って、糖鎖分子を介した機能発現は、糖転移酵素の発現場所・時期に支配されると考えられる。加えて実際の免疫系・癌転移における実験系に関しては、同種の免疫担当細胞やがん細胞を、培養系(in vitro)で増殖させることができ、さらに動物体内(in vivo)に戻すことも可能であることから、個体レベルから細胞・分子レベルまでの解析が可能である。   In addition, sugar chain molecules are synthesized by cooperation of a series of glycosyltransferase groups. Therefore, functional expression via sugar chain molecules is considered to be governed by the location and timing of glycosyltransferase expression. In addition, regarding the experimental system in the actual immune system and cancer metastasis, the same type of immunocompetent cells and cancer cells can be grown in a culture system (in vitro) and then returned to the animal body (in vivo). Since it is possible, analysis from the individual level to the cell / molecular level is possible.

脳の複雑な構造的特徴から、1.ある糖鎖機能分子を発現する神経細胞及びその神経連絡の脳内(in vivo)での可視化、2.培養系における、可視化した神経細胞集団の分離、3.脳内及び培養系で可視化した神経細胞内において、糖鎖を介したシグナル伝達系に関与し得る候補分子の観察を可能にすれば、神経系においても、個体・細胞・分子レベルにわたる情報伝達メカニズムの解析が可能となることが予想される。   From the complex structural features of the brain: 1. Visualization of nerve cells expressing certain sugar chain functional molecules and their nerve connections in the brain (in vivo). 2. Separation of visualized neuronal population in culture system By enabling observation of candidate molecules that can participate in the signal transduction system via sugar chains in neurons visualized in the brain and culture systems, information transmission mechanisms at the individual, cell, and molecular levels in the nervous system are also possible. It is expected that this analysis will be possible.

本発明者らは、1.α2,3-シアル酸転移酵素(ST3Gal IV)が、成熟マウス脳内において、2%視床神経細胞と小脳下顆粒細胞層・一層の顆粒細胞にのみ発現すること、2.視床における発現はキンドリングのステージの進行に伴った上昇を示し、そして神経可塑性が獲得された最終段階で、21%の視床神経細胞がその発現を示すこと、3.この発現上昇は、現存する他のα2,3-シアル酸転移酵素には観察されないこと、4.2次元電気泳動法により、ST3Gal IVの基質となりうる2種の糖蛋白質が、視床の投射先(大脳皮質)で46倍・60倍の発現上昇を示すことを明らかにしている。   The inventors have: 1. 1. α2,3-sialyltransferase (ST3Gal IV) is expressed only in 2% thalamic neurons, subcerebellar granule cell layer, and single granule cells in the mature mouse brain. 2. Thalamic expression shows an increase with progression of the kindling stage, and 21% of thalamic neurons show its expression at the final stage when neuroplasticity is acquired. This increase in expression is not observed in other existing α2,3-sialyltransferases. 4. By two-dimensional electrophoresis, the two glycoproteins that can serve as ST3Gal IV substrates are It has been clarified that the cerebral cortex) shows 46-fold and 60-fold increased expression.

そして、視床は、感覚系・運動系・大脳辺縁系の各脳領域からの情報の多くを受け、大脳皮質にその情報を伝播する。腫瘍・栄養血管障害による機能消失例からも、重要な脳の中継・統合中枢であることがわかる。ST3Gal IVが、この視床神経細胞に限定した発現を示すこと、そして刺激に応答した著しい発現上昇を示すことから、ST3Gal IVによりシアル酸付加を受ける糖鎖分子が、視床・中継核の機能発現に寄与する可能性は高いことが予想される。   The thalamus receives a lot of information from each brain area of the sensory system, motor system, and limbic system, and propagates the information to the cerebral cortex. The loss of function due to tumor and nutritional vascular disorders also reveals an important brain relay / integration center. Since ST3Gal IV shows expression restricted to this thalamic neuron and a marked increase in expression in response to stimulation, the glycan molecule that undergoes sialic acid addition by ST3Gal IV contributes to the functional expression of the thalamus and relay nucleus The potential for contribution is expected to be high.

図1は、マウスの歯状断面図を示し、キンドリングマウスにおける神経の可塑性を示す。それぞれ左から、行動、脳派、遺伝子発現の様子、微細形態を示す。右の写真の微細形態において、Shamがコントロールを示し、Kindlingがキンドリング処理したものを示す。また、Dendraiteは、樹状突起を示す。キンドリング処理したものにおいて樹状突起の発達が観察された。   FIG. 1 shows a dentate cross-sectional view of a mouse and shows nerve plasticity in kindling mice. From the left, the behavior, brain faction, gene expression, and micromorphology are shown. In the fine form of the photograph on the right, Sham shows the control and Kindling shows the kindling treatment. Dendraite indicates dendrites. Dendritic development was observed in the kindling treatment.

図3及び図5により具体的な概要を示した。図3は、キンドリングマウスの調製を示す。図中、Complex Neural Cicuit は、複雑な神経回路を示す。回路の抽出物として、キンドリング扁桃体を用いた。Hipは海馬を示し、Thalamusは視床を示し、Cingulateは、大脳皮質を示す。また、図5は、マウスに刺激を行なう場合の一実施態様を示す図である。図5の写真に示すように刺激を与えるプローブと当該プローブを固定する固定手段(セメント)によって、ガイド等を固定することができる。マウス用のマイクロダイアリシスプルーブを複数個脳内に埋めるため、ガイドをねじで閉じることをやめ、ガイド内とダミーを固定する。実際に脳内物質回収日の前日にダミーを外し、プローブを埋める。今回ガイドの直径を0.3mmとした。   A specific outline is shown in FIG. 3 and FIG. FIG. 3 shows the preparation of kindling mice. In the figure, Complex Neural Cicuit represents a complex neural circuit. Kindling amygdala was used as the circuit extract. Hip indicates the hippocampus, Thalamus indicates the thalamus, and Cingulate indicates the cerebral cortex. FIG. 5 is a diagram showing an embodiment when stimulating a mouse. As shown in the photograph of FIG. 5, a guide or the like can be fixed by a probe for applying a stimulus and a fixing means (cement) for fixing the probe. In order to embed multiple microdialysis probes for mice in the brain, the guide is not closed with screws, and the guide and dummy are fixed. Actually remove the dummy the day before the substance collection date in the brain and fill the probe. This time, the guide diameter is 0.3mm.

当該装置より、刺激の伝播経路に位置する3点の神経核から脳内物質を回収し、また、脳質内液も回収した。また、脳室内液も回収することで分子量の大きい分子も検討することができた。今回、既知のグルタミン酸・グリシン・GABAが、各神経核中に存在するか、刺激に応じて、どのように変化するのか測定することができた。   From this device, brain substances were collected from three nerve nuclei located in the stimulus propagation path, and brain fluid was also collected. In addition, by collecting the intraventricular fluid, it was possible to study molecules with a large molecular weight. This time, it was possible to determine whether known glutamate, glycine, and GABA exist in each nucleus and how they change in response to stimulation.

また、神経回路系への変化として、キンドリングにおいて、Dendlite(樹状突起)の発達が顕著であることが分かる。糖鎖分子は一連の糖転移酵素群の連携により合成されることから、糖鎖分子を介した機能発現は、糖転移酵素の発現場所・時期に支配されると考えられる。   In addition, as a change to the neural network system, it can be seen that the development of Dendlite (dendrites) is remarkable in kindling. Since glycan molecules are synthesized by the cooperation of a series of glycosyltransferase groups, functional expression via glycan molecules is considered to be governed by the location and timing of glycosyltransferase expression.

また、キンドリングマウスにおける神経の可塑性についても調べた。結果を図1に示す。それぞれ左から、行動、脳波、遺伝子発現の様子、微細形態を示す。右の写真の微細形態において、Shamがコントロールを示し、Kindlingがキンドリング処理したものを示す。視床におけるST3Gal IVシグナルの増強が、行動変化や脳波の推移に連動していることが分かる。これによって、特定の神経回路系に刺激を与えることによる、神経回路の可塑性の過程において、特に樹状突起の形成が顕著であること判明した。   In addition, nerve plasticity in kindling mice was also examined. The results are shown in FIG. From left to right, behavior, brain waves, gene expression, and fine morphology are shown. In the fine form of the photograph on the right, Sham shows the control and Kindling shows the kindling treatment. It can be seen that ST3Gal IV signal enhancement in the thalamus is linked to behavioral changes and brain wave transitions. As a result, it was found that the formation of dendrites is particularly remarkable in the process of plasticity of the neural circuit by applying a stimulus to a specific neural circuit system.

当該装置を用いて、実際に刺激と神経回路系への影響を調べた結果を示すのが、図6である。図6は、キンドリング処理後の樹状突起の幅の増加を示す。図6(a)中、Molecular layerは、分子層を示し、Granular Layerは、顆粒層を示す。(Hylusは、多形細胞を示す。左図の写真が、キンドリング処理したもの(Kindling)を、右の写真がコントロール(Sham)示す。図6(b)は、キンドリング処理した場合及びコントロールの場合の樹状突起の比較を示す。   FIG. 6 shows the results of actually examining the effects on stimulation and the neural circuit system using the apparatus. FIG. 6 shows the increase in dendrite width after kindling. In FIG. 6A, Molecular layer indicates a molecular layer, and Granular Layer indicates a granular layer. (Hylus indicates polymorphic cells. The left picture shows the kindling treated (Kindling) and the right picture shows the control (Sham). FIG. 6 (b) shows the kindling treated and control cases. Comparison of dendrites is shown.

図2は、本発明の脳内物質の回収装置に適用可能な神経回路系の図説を示す。扁桃体へのキンドリング刺激により、刺激伝播経路上の海馬、視床、大脳皮質における脳内物質、その影響を調べた結果、原形質膜上のグリカンの作用が明らかとなった。   FIG. 2 shows an illustration of a neural circuit system applicable to the brain substance recovery apparatus of the present invention. The effects of glycans on the plasma membrane were clarified as a result of investigating the effects and effects of brain substances on the hippocampus, thalamus, and cerebral cortex on the propagation pathway by kindling stimulation of the amygdala.

特定の神経回路内で刺激を与えた場合に生ずる神経細胞内での神経可塑性について、さらに調べることができた。以下では、樹状突起の異常、糖タンパク質・糖脂質のシアル酸化の神経可塑性の影響を調べた。   It was possible to further investigate the neuronal plasticity in nerve cells that occurs when a stimulus is applied in a specific neural circuit. In the following, we investigated the effects of dendritic abnormalities and the neuroplasticity of sialylation of glycoproteins and glycolipids.

まず、キンドリングによるてんかん獲得後の海馬歯状回・顆粒細胞層と扁桃体海馬移行野における樹状突起の異常について、調査した。   First, we investigated the abnormalities of dendrites in the hippocampal dentate gyrus and granule cell layer and amygdala hippocampal transition area after acquiring epilepsy by kindling.

扁桃体キンドリングは、人の側頭葉てんかんのモデルである。これについて説明すれば、一日1回軽微な電気刺激を加えたときに、最初はわずかな部分発作反応しか示さなかった動物が、刺激回数につれて発作症状の加重と後発射(afterdischarge)の延長をきたし、ついには全身痙攣発作にいたる。キンドリング形成には電気刺激そのものでなく、後発射の出現が重要である。また、この辺縁系における後発射は、永続的に獲得される。この系において、本発明者は、キンドリングにより誘導される痙攣発作獲得後のマウスにおいて、樹状突起の変化を調べた。まず、抗MAP-2抗体を用いた蛍光抗体法により、電極挿入側とは反対側の海馬や扁桃体の免疫組織化学染色を行った。MAP2とは、神経細胞の細胞体と樹状突起のマーカーである。染色の結果、キンドリング獲得後には、海馬歯状回・顆粒細胞及び扁桃体海馬移行野の神経細胞が、近位樹状突起の肥大を示した。この樹状突起の形態変化をさらに詳細に解析するため、電子顕微鏡レベルで刺激反対側を観察した。その結果、海馬歯状回・顆粒細胞及び扁桃体海馬移行野の神経細胞において、キンドリング獲得後、重合した微小管を含む樹状突起の数の増加樹状突起の断面の肥大が観察された。また、海馬歯状回・顆粒細胞に限定して、樹状突起間の束化が観察され、樹状突起間にpuncta adhaerentiaが観察された。さらに、海馬歯状回における樹状突起の肥大は、尾側よりも吻側の顆粒細胞で、よりその肥大が顕著であった。これらの結果は、成熟脳のある特定の領域内で、てんかん発作に連動した構造可塑性の一部として、微小管に富んだ樹状突起の肥大が生じることが判明した。   Amygdala kindling is a model of human temporal lobe epilepsy. To explain this, when a slight electrical stimulation was applied once a day, animals that initially showed only a small partial seizure response increased the weight of the seizure symptoms and prolonged afterdischarge as the number of stimulations increased. I finally got a generalized seizure. The appearance of post-launch is important for the kindling formation, not the electrical stimulation itself. Also, post-fires in this limbic system are acquired permanently. In this system, the inventors examined dendritic changes in mice after acquiring seizures induced by kindling. First, immunohistochemical staining of the hippocampus and amygdala on the side opposite to the electrode insertion side was performed by a fluorescent antibody method using an anti-MAP-2 antibody. MAP2 is a marker of neuronal cell bodies and dendrites. As a result of staining, after kindling acquisition, the hippocampal dentate gyrus / granule cells and neurons in the amygdala hippocampal transition area showed enlargement of the proximal dendrites. In order to analyze the dendritic morphological changes in more detail, the side opposite to the stimulus was observed at the electron microscope level. As a result, in the hippocampal dentate gyrus / granule cells and neurons of the amygdala hippocampal transition area, after the kindling was acquired, the number of dendrites including polymerized microtubules increased, and the cross-section of the dendrites was enlarged. In addition, bundling between dendrites was observed only in hippocampal dentate gyrus and granule cells, and puncta adhaerentia was observed between dendrites. Furthermore, the enlargement of dendrites in the hippocampal dentate gyrus was more pronounced in the granule cells on the rostral side than on the caudal side. These results revealed that microtubule-rich dendritic hypertrophy occurs as part of the structural plasticity associated with epileptic seizures in certain areas of the mature brain.

このように本発明のモデルマウスを用いて脳内物質の検出及び神経細胞内の分析を行なうことが可能となった。   In this way, it has become possible to detect brain substances and analyze nerve cells using the model mouse of the present invention.

次に、キンドリングによるてんかん獲得後のマウス海馬において、誘導されたシアル酸転移酵素mRNAの発現変動についても、調べた。
シアル酸は、さまざまな生命現象において、重要な役割を演じ、脳においても、糖たんぱく質・糖脂質のシアル酸化が神経可塑性に影響することを示唆する例がいくつかある。
Next, the expression variation of the induced sialyltransferase mRNA was also examined in the mouse hippocampus after acquiring epilepsy by kindling.
Sialic acid plays an important role in various life phenomena, and there are several examples suggesting that sialylation of glycoproteins and glycolipids affects neuroplasticity in the brain.

糖鎖構造にシアル酸化するシアル酸転移酵素が、19種類存在するが、それぞれいくつかは、基質特異性がオーバーラップしている。それ故、シアル酸転移酵素の発現分布が、特定の糖鎖構造へシアル酸を付加する重要な要因になっている。   There are 19 types of sialyltransferases that sialylate into sugar chain structures, but some of them have overlapping substrate specificities. Therefore, the expression distribution of sialyltransferase is an important factor for adding sialic acid to a specific sugar chain structure.

実際に、成熟脳・海馬に発現するシアル酸転移酵素をRT-PCR法によりスクリーニングしたところ、7つのシアル酸転移酵素:ST3Gal I-IV, ST8Sia IV, ST65Gal I, ST6GalNAc IIが海馬に発現することがわかった。また、in situ ハイブリダイゼーション組織化学法によると、個々の細胞が、それぞれ適切なシアル酸転移酵素を発現していることを示唆した。さらに、扁桃体―キンドリングによりいくつかのシアル酸転移酵素の海馬での発現は、神経可塑性に連動した発現変動を示していた。例えば、ST3Gal IVとST6GalNAc II mRNAsは発現上昇を、ST3Gal IとST8Sia IVは、発現減少を、またそれ以外のST3Gal II, ST3Gal III, ST6Gal Iは、変動しなかった。これらの結果から、シアル酸転移酵素の発現が、生理学的な活性によって制御されており、神経可塑性に深く関わっていることが示唆された。   In fact, when RT-PCR was used to screen sialyltransferases expressed in the mature brain and hippocampus, seven sialyltransferases: ST3Gal I-IV, ST8Sia IV, ST65Gal I, and ST6GalNAc II were expressed in the hippocampus. I understood. In addition, in situ hybridization histochemistry suggested that each cell expressed an appropriate sialyltransferase. Furthermore, the expression of several sialyltransferases in the hippocampus due to amygdala-kindling showed expression fluctuations linked to neuroplasticity. For example, ST3Gal IV and ST6GalNAc II mRNAs increased expression, ST3Gal I and ST8Sia IV decreased expression, and other ST3Gal II, ST3Gal III, and ST6Gal I did not change. These results suggest that the expression of sialyltransferase is controlled by physiological activity and is deeply involved in neuroplasticity.

次に、成熟マウス脳において、6種のα2,3-シアル酸転移酵素(ST3Gal I-VI)の領域特異的・てんかん誘導依存性発現についても、調べた。   Next, the region-specific and epilepsy induction-dependent expression of six α2,3-sialyltransferases (ST3Gal I-VI) was also examined in the mature mouse brain.

シアル酸化糖鎖構造は、さまざまな生物学的機能発現に重要な役割を示し、そのシアル酸化を受けた糖鎖構造は、脳においても観察されており、シアル酸付加が神経可塑性に何らかの影響を与える可能性が提案された。しかしながらこの脳におけるシアル酸付加の役割を明らかにするため、シアル酸付加を示す神経細胞をまず決定する必要があった。   The sialylated glycan structure plays an important role in the expression of various biological functions, and the sialylated glycan structure is also observed in the brain, and sialic acid addition has some effect on neuroplasticity. The possibility of giving was proposed. However, in order to clarify the role of sialic acid addition in the brain, it was necessary to first determine the nerve cells exhibiting sialic acid addition.

そこで発明者は、in situ ハイブリダイゼーション組織化学法により、まずは、α2,3-シアル酸転移酵素(ST3Gal I-VI)のmRNAsの脳内分布を明らかにした。またこの脳内分布は、生理学的な刺激がある場合とない場合で比較した。まずわかったことは、領域特異的な発現分布をそれぞれの転移酵素が示した。ST3Gal II, III, V mRNAsは、脳中の神経細胞に発現した。一方で、ST3Gal I, IV, VI mRNAsは、限定された脳領域でのみ発現した。次に、これら6種のシアル酸転移酵素のmRNA発現が、刺激応答性であるかどうかを調べるために、発明者らは、キンドリングによるてんかん誘導における効果を検討した。その結果、視床におけるST3Gal IVの発現レベルの上昇が、特に顕著であった。また、視床前核において、ST3Gal IV発現神経細胞の数が、てんかん獲得のステージの進行にしたがって2−21%に増加した。さらに、ウエスタンブロッティング及び免疫組織化学法により、ST3Gal IVの最終産物がやはり、キンドリング獲得後、著しく上昇した。これらの結果は、いつどこで、シアル酸化糖鎖構造が、神経可塑性に伴って機能するのかを明らかにする分子生物学的基盤を提供している。   The inventor first clarified the distribution of α2,3-sialyltransferase (ST3Gal I-VI) mRNAs in the brain by in situ hybridization histochemistry. The distribution in the brain was compared with and without physiological stimulation. First of all, each transferase showed a region-specific expression distribution. ST3Gal II, III, V mRNAs were expressed in neurons in the brain. On the other hand, ST3Gal I, IV and VI mRNAs were expressed only in limited brain regions. Next, in order to examine whether the mRNA expression of these six sialyltransferases is stimuli responsive, the inventors examined the effect of kindling on epilepsy induction. As a result, the increase in the expression level of ST3Gal IV in the thalamus was particularly remarkable. In the prethalamic nucleus, the number of ST3Gal IV-expressing neurons increased to 2-21% as the stage of epilepsy acquisition progressed. Furthermore, the final product of ST3Gal IV was still significantly increased after kindling by Western blotting and immunohistochemistry. These results provide a molecular biological basis that reveals when and where sialylated glycan structures function with neuroplasticity.

本発明によれば、バイオサイエンス分野の中で、脳科学全般の基礎研究に利用可能であり、創薬の検定、製薬系に大いに利用されうる。   According to the present invention, in the field of bioscience, it can be used for basic research of brain science in general, and can be greatly used for drug discovery testing and pharmaceutical systems.

図1は、キンドリングマウスにおける神経の可塑性を示す。それぞれ左から、行動、脳派、遺伝子発現の様子、微細形態を示す。右の写真の微細形態において、Shamがコントロールを示し、Kindlingがキンドリング処理したものを示す。視床におけるST3Gal IVシグナルの増強が、行動変化や脳波の推移に連動しているが分かる。FIG. 1 shows nerve plasticity in kindling mice. From the left, the behavior, brain faction, gene expression, and micromorphology are shown. In the fine form of the photograph on the right, Sham shows the control and Kindling shows the kindling treatment. It can be seen that ST3Gal IV signal enhancement in the thalamus is linked to behavioral changes and brain wave transitions. 図2は、本発明を適用可能な神経回路系の図説を示す。図中、1)Complex Nneural Cicuit は、複雑な神経回路を示す。回路の抽出物として、キンドリング扁桃体を用いた。Hipは海馬を示し、Thalamusは視床を示し、Cingulateは、大脳皮質を示す。2)Orchestration of neural connection では、神経連結の組織化を示す。3)Contribution of Glycan on Plasmaembraneでは、原形質膜上のグリカンの働きを示す。FIG. 2 shows an illustration of a neural circuit system to which the present invention can be applied. In the figure, 1) Complex Nneural Cicuit indicates a complex neural circuit. Kindling amygdala was used as the circuit extract. Hip indicates the hippocampus, Thalamus indicates the thalamus, and Cingulate indicates the cerebral cortex. 2) Orchestration of neural connection shows the organization of neural connections. 3) The Contribution of Glycan on Plasmaembrane shows the function of glycans on the plasma membrane. 図3は、キンドリングマウスの調製を示す。図中、Complex Nneural Cicuit は、複雑な神経回路を示す。回路の抽出物として、キンドリング扁桃体を用いた。Hipは海馬を示し、Thalamusは視床を示し、Cingulateは、大脳皮質帯状回を示す。FIG. 3 shows the preparation of kindling mice. In the figure, Complex Nneural Cicuit indicates a complex neural circuit. Kindling amygdala was used as the circuit extract. Hip indicates the hippocampus, Thalamus indicates the thalamus, and Cingulate indicates the cerebral cortex gyrus. 図4は、本発明の一実施態様における脳内物質の回収装置の概略を示す。Kindling Stim.は、キンドリング刺激の略である。Micro-dialysisはマイクロ透析の略である。FIG. 4 shows an outline of a brain substance recovery apparatus according to an embodiment of the present invention. Kindling Stim. Is an abbreviation for kindling stimulation. Micro-dialysis is an abbreviation for microdialysis. 図5は、マウスに刺激を行なう場合の一実施態様を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an embodiment when stimulating a mouse. 図6は、キンドリング処理後の樹状突起の幅の増加を示す。図6(a)中、Molecular layerは、分子層を示し、Granular Layerは、顆粒層を示す。Hylusは、多形細胞を示す。左図の写真が、キンドリング処理したもの(Kindling)を、右の写真がコントロール(Sham)示す。図6(b)は、キンドリング処理した場合及びコントロールの場合の樹状突起の比較を示す。FIG. 6 shows the increase in dendrite width after kindling. In FIG. 6A, Molecular layer indicates a molecular layer, and Granular Layer indicates a granular layer. Hylus refers to polymorphic cells. The left picture shows the kindling treated (Kindling), and the right picture shows the control (Sham). FIG. 6B shows a comparison of dendrites between the kindling treatment and the control.

Claims (7)

脳内の上流の神経核へ刺激を行なうことを意図する刺激手段と、前記刺激手段による刺激を伝播する刺激伝播経路中に存在する下流の複数の神経核に取り付けることを意図する脳内物質回収手段、とを有する脳内物質の回収装置。   Stimulation means intended to stimulate the upstream nucleus in the brain, and collection of substances in the brain intended to be attached to a plurality of downstream nerve nuclei existing in the stimulus propagation path for transmitting the stimulation by the stimulation means A device for collecting substances in the brain. 前記刺激手段が、電気的刺激によることを特徴とする請求項1記載の装置。   2. The apparatus according to claim 1, wherein the stimulation means is based on electrical stimulation. 上流の神経核が、扁桃体である請求項1又は2項に記載の装置。   The device according to claim 1 or 2, wherein the upstream nucleus is the amygdala. 前記下流の複数の神経核が、海馬、視床、大脳皮質である請求項1〜3項に記載の装置。   The device according to claim 1, wherein the plurality of downstream nerve nuclei are a hippocampus, a thalamus, and a cerebral cortex. 脳内の上流の神経核への刺激を行なうことを意図する刺激手段と、前記刺激手段による刺激を伝播する刺激伝播経路内に存在する下流の複数の神経核に取り付けることを意図する脳内物質回収手段、とを有するモデルマウス。   Stimulating means intended to stimulate the upstream nucleus in the brain, and a substance in the brain intended to be attached to a plurality of downstream nuclei existing in the stimulus propagation path for transmitting the stimulation by the stimulating means A recovery mouse, and a model mouse. 請求項5記載のモデルマウスを用いた神経細胞内の情報伝達物質の分析方法。   6. A method for analyzing a signaling substance in nerve cells using the model mouse according to claim 5. 神経細胞内のシグナル伝達系物質の分析を、前記下流の神経核及びその近傍の脳内物質を分析することにより行なう請求項6記載の方法。   The method according to claim 6, wherein analysis of a signal transduction system substance in a nerve cell is performed by analyzing the downstream nerve nucleus and a substance in the vicinity of the brain.
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