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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