Crosstalk Between Brain-Derived Neurotrophic Factor And N-Methyl-D-Aspartate Receptor Signaling In Neurons

Glutamate is the major excitatory neurotransmitter in brain exerting prosurvival effect on neurons via N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) signaling under physiological conditions. However in pathological circumstances such as ischemia, NMDARs might have proapoptotic excitotoxic activity. In contrast brain-derived neurotrophic factor (BDNF) signaling via TrkB receptors has been largely considered to promote neuronal differentiation, plasticity and survival during normal development, and protect neurons in pathophysiological conditions antagonizing the NMDAR-mediated excitotoxic cell death. In this review we summarize recent evidence for the existent crosstalk and positive feedback loops between the BDNF and NMDAR signaling and point out some of the important specific features of each signaling pathway

Crosstalk between brain-derived neurotrophic factor and N-methyl-D-aspartate receptor signaling in neurons

Glutamate is the major excitatory neurotransmitter in brain exerting prosurvival effect on neurons via N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) signaling under physiological conditions. However in pathological circumstances such as ischemia, NMDARs might have proapoptotic excitotoxic activity. In contrast brain-derived neurotrophic factor (BDNF) signaling via tropomyosinrelated receptor kinase B (TrkB) has been largely considered to promote neuronal differentiation, plasticity and survival during normal development, and protect neurons in pathophysiological conditions antagonizing the NMDAR-mediated excitotoxic cell death. In this review we summarize recent evidence for the existent crosstalk and positive feedback loops between the BDNF and NMDAR signaling and point out some of the important specific features of each signaling pathway.Biomedical Reviews 2008; 19: 17-27

Maturation-dependent reduced responsiveness of intracellular free Ca2+ ions to repeated stimulation by N-methyl-d-aspartate in cultured rat cortical neurons

金沢大学大学院自然科学研究科分子作用学In contrast to other ionotropic glutamate receptors, N-methyl-d-aspartate (NMDA) receptor channels are rather stable after the simulation. Brief exposure to NMDA at 50 μM rapidly increased the fluorescence intensity for increased intracellular free Ca2+ levels in a reversible- and concentration-dependent manner in rat cortical neurons cultured for 3-15 days in vitro (DIV), while EC50 values were significantly decreased in proportion to cellular maturation from 3 to 15 DIV. Although a constant increase was persistently seen in the fluorescence throughout the sustained exposure to NMDA for 60 min irrespective of the cell maturation from 3 to 15 DIV, the second brief exposure for 5 min resulted in a less efficient increase in the fluorescence than that found after the first brief exposure for 5 min in a manner dependent on intervals between the two repetitive brief exposures. In vitro maturation significantly shortened the interval required for the reduced responsiveness to the second brief exposure, while in immature neurons prolonged intervals were required for the reduced responsiveness to the second brief exposure to NMDA. Moreover, brief exposure to NMDA led to a marked decrease in immunoreactivity to extracellular loop of NR1 subunit in cultured neurons not permeabilized in proportion to the time after washing. These results suggest that cellular maturation would facilitate the desensitization process to repeated stimulation by NMDA, without markedly affecting that to sustained stimulation, through a mechanism related to the decreased number of NMDA receptors expressed at cell surfaces in cultured rat cortical neurons. © 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved

Modulation by static magnetism of neuronal activity

In neurons, the signal propagation involves both the conduction mediated by local electric currents through voltage-sensitive cation channels in axons and the transmission mediated by the exocytotic release of neurotransmitters from nerve endings into synaptic clefts. A great number of desperate efforts have been dedicated to biochemical, pharmacological and molecular biological studies on the elucidation of mechanisms underlying the neurotransmission at synapses, while relatively little attention has been paid to the comprehensive evaluation of the conduction except for local anesthetics. According to a physical theorem, exposure to magnetism should lead to the generation of a certain mechanical force in neurons with concomitant electric currents in a particular situation. In particular, repetitive transcranial magnetic stimulation is beneficial for the treatment of selected patients suffering from depression, bipolar affective disorder and schizophrenia as a possible alternative to the electroconvulsive therapy for refractory depression. In this review, therefore, we will summarize our recent advances made on the neurochemical and molecular biological elucidation in cultured rat hippocampal neurons toward better understanding by the readers of different disciplines of mechanisms associated with the modulation by magnetism of the neuronal activity in the brain.Biomedical Reviews 2004; 15: 21-35

磁気刺激による神経精神活動制御の可能性探索

金沢大学医薬保健研究域薬学系磁場には、磁石や地球地磁気などによる定常磁場と、交流電流から発生する変動磁場の大きく二種類が存在するが、変動磁場については携帯電話の普及などによって磁揚に曝される機会が増えるにつれて、その悪影響が近年懸念されている。これに対して、磁場曝露の疾患治療効果を期待させる報告例も少なくない。例えば、精神科領域では長年電気けいれん療法が行われてきたが、最近ではより安全でかつ簡便な非侵襲的代替療法として、磁場を応用した反復性経頭蓋磁気刺激法の有効性が、多くの臨床的研究で示されている。特に、難治性うつ病、強迫性障害、あるいは統合失調症(精神分裂病)等の患者で、磁気刺激による症状改善例報告があることは興味深い。今回は、初代培養神経細胞の神経活動に対する定常磁場曝露の影響について検討した。ラット胎仔脳より調製した海馬由来初代培養神経細胞は、培養日数の増加とともに形態と機能を変化させて、細胞体から1本の軸索と複数の樹状突起の伸長と極性を発達させたのちに、神経細胞間でのシナプスネットワークを形成して成熟した。この海馬由来神経細胞を、調製後3時間目より磁束密度100ミリテスラの磁場環境下において、無血清条件下に培養すると、細胞生存率には影響は見られなかったが、磁場曝露による神経細胞マーカー蛋白質MAP2発現の著明な低下とともに、アストログリア細胞マーカー蛋白質であるGFAP発現量の増加が誘発された。MAP2は、脳内においては神経細胞に特異的に局在し、微小管の安定あるいは樹状突起の伸展に不可欠である。したがって、持続的な定常磁場曝露は細胞障害を誘発せずに、海馬神経細胞において神経細胞の成熟度に強い影響を与える可能性が示唆される。研究課題/領域番号:14657582, 研究期間(年度):2002出典：「磁気刺激による神経精神活動制御の可能性探索」研究成果報告書　課題番号14657582（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（ https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-14657582/）を加工して作

新規シグナル分子によるグリアニューロン相互回路網構築の可能性探究

金沢大学医薬保健研究域薬学系本研究では、脳内神経情報伝達物質が骨関節系細胞において細胞間情報伝達に利用される事実に基づいて、骨関節系細胞における情報分子群について脳内ニューロンおよびグリア細胞における機能的発現の可能性を探索した。特に、Runt related factor-2(Runx2)は間葉系幹細胞から骨芽細胞への分化と成熟過程に必須の転写制御因子であるが、中枢神経系における発現解析は全く行われていない。したがって本研究ではRunx2に焦点を当てて、その中枢神経系における機能的発現の可能性を追究するとともに、一過性脳虚血時における病態生理学的役割について検討した。RT-PCR法による解析の結果、ラット大脳皮質由来培養アストログリア細胞およびC6グリオーマ細胞ともにRunx2のmRNA発現が認められた。C6グリオーマ細胞にRunx2の発現ベクターを導入すると、Matrix metalloproteinase-13(MMP13)のmRNA発現量が有意に上昇することが明らかとなった。次いで、中大脳動脈結紮(MCAO)ラット脳におけるMMP13発現を検討した結果、MCAO負荷により梗塞側でMMP13のmRNA発現量の著明な上昇が認められた。以上の結果より、Runx2は中枢神経系内でも特にアストログリア細胞に強く発現するだけでなく、MMP13の発現制御を介して脳虚血病態出現に何らかの関与を示す可能性が示唆される。研究課題/領域番号:18053009, 研究期間(年度):2006 – 2007出典：「新規シグナル分子によるグリアニューロン相互回路網構築の可能性探究」研究成果報告書　課題番号18053009（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-18053009/)を加工して作

精神分裂病の発症を規定する脳内蛋白質の探索とその治療領域への応用

金沢大学薬学部薬物療法低反応性の精神分裂病陰性型(2型)の発症に、脳内N-メチル-D-アスパラギン酸(NMDA)型レセプターの異常な活性低下が関与する可能性を追究する目的で、脳内における遺伝子転写調節に着目した。転写制御因子は、細胞核内で遺伝子DNAからmRNAへの転写を制御する核内蛋白質である。実験動物にNMDAを全身的に適用すると、転写制御因子activator protein-1(AP1)のDNA結合能が、脳内各部位の中でも特に海馬において選択的に増強された。実体顕微鏡下における凍結脳切片からのパンチアウト法を用いて解析したところ、AP1結合増強は海馬の歯状回顆粒細胞層においては強く認められたが、CA1野およびCA3野錐体細胞ではこのような増強は見られないことが明らかとなった。歯状回におけるAP1結合上昇は、投与後2時間をピークとする一過性の現象であり、投与後4時間目にはほぼ消失したが、錐体細胞層ではいずれの経過時間でも、著明なAP1結合上昇は観察されなかった。NMDAアンタゴニストを前投与すると、NMDAによる歯状回AP1結合増強は完全に阻止された。免疫組織化学的検討により、NMDA投与は歯状回顆粒細胞層においてのみ、選択的にc-FosおよびC-Jun蛋白質を強く発現する事実が判明した。また、NMDAを全身適用すると、その後動物は「tail biting」のような異常行動を示した。以上の結果より、精神分裂病のような脳機能長期的変化の出現メカニズムには、特定機能蛋白質の生合成変動が、深く関連する可能性が示唆される。The present study deals with modulation of gene transcription in the brain, in order to evaluate possible involvement of N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor in mechanisms underlying the crisis of negative syndromes of Schizophrenia. Transcription factors are nuclear proteins with high affinity for a particular core nucleotide sequence to modulate the activity of RNA polymerase II that is responsible for formation of mRNA from genomic DNA in the nucleus. The systemic administration of NMDA led to selective and drastic potentiation of DNA binding activity of the transcription factor activator protein-1 (AP1) in murine brain. Frozen coronal sections were made with the aid of a cryostat, followed by punching out of the desired regions by a plastic capillary on dry ice under a binocular microscope. The potentiation was only seen in the dentate granule cells, but not in the CA1 and CA3 pyramidal cells. The potentiation in the dentate gyrus was transient with a peak at 2 h after administration and a diminution within 4 h later, which occurred in a manner sensitive to antagonism by an NMDA channel blocker. However, NMDA failed to markedly potentiate AP1 DNA binding in the CA1 and CA3 pyramidal neurons up to 4 h after administration. Immunohistochemical analysis revealed that NMDA induced expression of both c-Jun and c-Fos proteins in the dentate gyrus, but not in the CA1 and CA3 subfields. Moreover, a systemic injection of NMDA resulted in a variety of abnormal behaviors, such as tail biting, in mice for 2 h. These results suggest that modulation of de novo synthesis of particular proteins may underlie mechanisms associated with long-lasting alterations of brain functions such as Schizophrenia.研究課題/領域番号:09557214, 研究期間(年度):1997 – 1999出典：研究課題「精神分裂病の発症を規定する脳内蛋白質の探索とその治療領域への応用 」課題番号09557214（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/report/KAKENHI-PROJECT-09557214/095572141999kenkyu_seika_hokoku_gaiyo/）を加工して作

心的外傷後ストレス障害(トラウマ)発症の分子機構解明に関する研究

成熟脳においても脳室下帯や海馬歯状回においては、発達脳の場合と同様に神経系前駆細胞が存在して、ニューロン新生が行われることが明らかとなっている。したがって、成熟マウス海馬歯状回に発現する神経系前駆細胞のストレス負荷に伴う影響について、新規DNA合成の指標となる、5-bromo-2-deoxyuridine (BrdU)の取り込み活性により検討を行った。その目的で、成熟Std-ddY系雄性マウスを金属製のストレスケージにより拘束して、25℃の水浴中に鎖骨下まで各時間浸してストレス負荷を行った。胃粘膜に対するストレス負荷の影響は検鏡により確認した。BrdU(50mg/kg)は、ストレス3時間負荷直後と12時間後に合計2回腹腔内投与した。最初のBrdU投与から24時間後に、4%パラホルムアルデヒド液を用いて動物の灌流固定を行ったのち、厚さ50μm凍結海馬冠状切片を作成し、BrdU抗体を用いて免疫組織化学法を行った。両側の海馬におけるsubgranular layerおよびhilus内のBrdU陽性細胞数、クラスター形成細胞数、およびクラスター数をそれぞれ計測して定量化した。その結果、動物へのストレス負荷時間の長さに依存して、激しい出血性胃粘膜傷害が認められた。成熟マウス脳海馬歯状回では、顆粒細胞層および側脳室下帯においてそれぞれBrdU陽性細胞が検出されたが、海馬歯状回において観察された陽性細胞数はBrdU投与後時間経過に伴って減少した。動物にストレスを3時間負荷すると、海馬歯状回で検出されたBrdU陽性細胞数、クラスター形成細胞数、およびクラスター数は、いずれも対照群に比べて有意に減少した。以上の結果から、成熟動物へのストレス負荷は、海馬歯状回に発現する神経系前駆細胞の増殖能を抑制する可能性が示唆される。The present study deals with evaluation of molecular mechanisms associated with crisis of the posttraumatic disorder often seen with subjects in severe stressful situations. Patients would recall the stressful experience they had before months and years later. This could involve long-term consolidation of transient signals through modulation of de novo synthesis of particular target proteins at the level of gene transcription in the brain. Transcription factors are nuclear proteins with high affinity for a particular core nucleotide sequence to modulate the activity of RNA polymerase II that is responsible for the formation of mRNA from genomic DNA in the nucleus. Animals were subjected to cold and immobilization stress for different periods, followed by dissection of discrete central and peripheral structures and subsequent preparation of nuclear extracts for determination of DNA binding activity of different transcription factors. A marked increase was seen in DNA binding activities of activator protein-1(AP1) and cyclic AMP responsive element binding protein (CREB) in the rat hypothalamus, pituitary and adrenal glands, but not in the cerebral neocortex, hippocampus and striatum. By contrast, cold and immobilization stress induced a significant decrease in the number of clusters formed by cells immunoreactive to 5-bromo-deoxyuridine(BrdU) in the granular layer of the dentate gyrus in mouse hippocampus. These results suggest that severe stressful situation would lead to attenuation of adult neurogenesis through modulation of gene expression by transcription factors in the brain. Search for the target genes is undoubtedly of great importance for the therapy and treatment of posttraumatic disorder in human beings.研究課題/領域番号:13470487, 研究期間(年度):2001-2003出典：「心的外傷後ストレス障害(トラウマ)発症の分子機構解明に関する研究」研究成果報告書　課題番号13470487 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

Development of high-pressure low-temperature plane strain testing apparatus for methane hydrate-bearing sand

AbstractA high-pressure low-temperature plane strain testing apparatus was developed for visualizing the deformation of methane hydrate-bearing sand due to methane hydrate production. Using this testing apparatus, plane strain compression tests were performed on pure Toyoura sand and methane hydrate-bearing sand with localized deformation measurements. From the results, it was observed that the methane hydrate-free specimens, despite their relatively high density, showed changes in compressive volume. Marked increases in the initial stiffness and strength of the methane hydrate-bearing sand were observed (methane hydrate saturation of SMH=60%). Moreover, the volumetric strain changed from compressive to dilative. For the specimens with methane hydrate, a dilative behavior above SMH=0% was observed. An image analysis showed that the shear bands of the methane hydrate-bearing sand were thinner and steeper than those of the host sand. In addition, the dilative volumetric strain in the shear band increased markedly when methane hydrate existed in the pore spaces