| Project Area | Frontiers in brain and life sciences on active information gain in an uncertain environment |
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| Project/Area Number |
21H05169
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (IV)
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
雨森 賢一 京都大学, 高等研究院, 特定拠点准教授 (70344471)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
斉藤 治美 京都大学, 高等研究院, 特定助教 (20311342)
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| Project Period (FY) |
2021-08-23 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥46,930,000 (Direct Cost: ¥36,100,000、Indirect Cost: ¥10,830,000)
Fiscal Year 2023: ¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000)
Fiscal Year 2022: ¥15,990,000 (Direct Cost: ¥12,300,000、Indirect Cost: ¥3,690,000)
Fiscal Year 2021: ¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000)
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| Keywords | 神経生理学 / 認知神経科学 / 計算論的神経科学 / 大脳基底核 / 線条体 / 自由エネルギー原理 / マカクザル / 意思決定 / 前帯状皮質 / 能動的推論 / 接近回避葛藤 / 化学遺伝学 / 霊長類 / DREADD / 不安障害 / ストリオソーム |
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| Outline of Research at the Start |
「予測のあいまいさ」に応じた能動的な試行錯誤・情報獲得に対する理論的な整備が進み、情報獲得の価値を定量的に取り扱うことができるようになってきた。こうした、新奇性や予測誤差の「気づき」は、前帯状皮質（ACC）と前島皮質（AIC）からなる顕著性ネットワークで表現されている。本田班の提案する、報酬・罰・情報獲得などの複数の目的のバランスをモデル化できる新 FEP 理論を用い、サルの好奇心などの内部変数のデコーディングを行い、課題遂行中の好奇心の変化を読み取る。さらに、小坂田班と協力し、ウイルスベクターの作製し、神経刺激法を駆使し 大脳基底核活動が好奇心を引き起こす、という因果性を証明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
「理性」を司るPFCと、「感情」を司る辺縁皮質・線条体は離れた位置にあるため、研究グループは新たな多点電極記録法を開発し、PFCから辺縁系に至る様々な領野のLFPのベータ振動（beta oscillation）を記録することで、領野間を連絡する信号を調べた。すると、意思決定の価値判断に関わる情報が、LFPのベータ振動の強度で表されていることが分かった。ベータ振動は、大脳皮質・大脳基底核において、２つの離れた領野間の信号の同期・通信に関わる、トップダウン型の制御信号を担うものと考えられる。そこで研究グループは、PFCと辺縁皮質・線条体の間のベータ振動の同期に着目し、PFCから辺縁皮質・線条体する信号の流れをグレンジャー因果性解析によって調べ、「理性」を司るPFCから、「感情」を司る辺縁皮質・線条体に対して、ベータ振動のトップダウンの情報の流れがあることを明らかにした。このPFCからの信号が、実際に「感情」の制御に関わりがあることを示すために、研究グループは、微小電気刺激法を用いて、うつ病に関わるが深いと考えられているsgACCに対して、微小電気刺激法によって活動を活性化させた。これにより、マカクザルの意思決定と価値判断の変化を定量的に調べ、人為的に悲観的な状態を誘導することで、うつ病の動物モデルの作成に成功した。うつ病に似た悲観的な状態を人為的に誘導し、同時に、PFCと辺縁皮質・線条体から、ベータ振動を同時記録したところ、PFCからのトップダウン信号が有意に減弱していることが分かった。このことから、sgACCの過活動によって誘導される、うつ病様の悲観状態では、「理性」に関わるPFCの信号の影響が弱く、理性的でない感情的な意思決定の原因になっていると考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「不確かな状況下での意思決定」に関わる実験系を確立した。Balloon Analogue Risk Task（BART）を立ち上げた。この行動実験課題は、画面に提示された仮想の風船を「膨らませ続ける」か「膨らませるのをやめる」かを連続的に選択していく葛藤課題である。この行動実験課題において、損失確率の不確かさを楽観視しリスクをとった行動をおこなうか、悲観視して安定をとった行動をおこなうかを、キャッシュアウトをおこなったタイミングから解読する数理モデルの構築を開始した。我々は、顕著性ネットワークをコアである前部島皮質（AIC）が、不確かな状況下での意思決定に因果的に関わっていると仮説を立てた。この仮説を検証するために、訓練済みのマカクザルのBART遂行中にAICに対してEMをおこない、その際のキャッシュアウト行動の変化を評価する実験を行っている。極小マニピュレータによって留置・保持された電極を用いて、AIC内の局所領域ごとの機能の違いをマッピングし、AICの領野内での機能分化を評価している。我々はすでに、過去のEM-fMRI法（S Amemori et al., EJN, 2020）を発展させて、不確実な状況での意思決定に影響を及ぼすAICの局所領域からの投射を調べる準備を進めた。応募者らが現在使用できるMRI装置がこれまでのものより強い静磁場を持つ（7T）ため、その安全な使用のための計画とパイロット実験に時間を要していることや、BARTのEMによる機能マッピング実験が進行中であるため、AICを対象としたEM-fMRI実験は現在準備段階にある。当実験が成功した暁には、環境の不確かさがある環境下での意思決定の際に働く脳の大規模ネットワークを示すとともに、関連領野の性質を取り入れた新たな数理モデルの構築まで展望があると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
ヒトは、不確かな環境に対峙するとき、予期しない結果に対して過剰な脅威を感じ、意思決定に不安が生じる。不確かさやリスクに対する意思決定の保守的な傾向は、カーネマンのプロスペクト理論などで示されるように、ヒトの高次脳機能の基本的な性質である。近年、脳はその予測誤差を最小化するために作動するという自由エネルギー原理が提唱され、知覚の不確実さが引き起こす好奇心を解き明かす指針となっている。学術Bで共同研究を進めてきた本田直樹はFEPの拡張を行い、好奇心が意思決定に与える影響を推定する逆FEP法（Konaka & Honda, Nature Comp. Sci., 2022）を確立した。今後は、この逆FEP法により「不確かさの不安」を解読し、EM法を用いて関与する皮質を同定していきたい。ヒトと相同な脳構造を持つマカクザルに対して、不確実な環境下での意思決定課題を訓練し、本田らの提唱する逆FEP法を用いて、不確かさが意思決定に与える影響を解読し、前島皮質（AIC）に対するEMを行い、意思決定が不確実な環境下で選択的に変化することを明らかにしていきたい。
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