| Project Area | Census-based biomechanism of circuit construction and transition for adaptive brain functions |
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| Project/Area Number |
21H05242
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (III)
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| Research Institution | Tokyo Medical and Dental University |
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Principal Investigator |
礒村 宜和 東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 教授 (00415077)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 暢哉 関西学院大学, 文学部, 教授 (70465269)
苅部 冬紀 北海道大学, 医学研究院, 助教 (60312279)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥112,710,000 (Direct Cost: ¥86,700,000、Indirect Cost: ¥26,010,000)
Fiscal Year 2024: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000)
Fiscal Year 2023: ¥23,140,000 (Direct Cost: ¥17,800,000、Indirect Cost: ¥5,340,000)
Fiscal Year 2022: ¥15,730,000 (Direct Cost: ¥12,100,000、Indirect Cost: ¥3,630,000)
Fiscal Year 2021: ¥26,650,000 (Direct Cost: ¥20,500,000、Indirect Cost: ¥6,150,000)
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| Keywords | オペラント学習 / ラット / 大脳皮質 / 大脳基底核 / トランスクリプトーム / げっ歯類 |
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| Outline of Research at the Start |
本計画研究では、ラットのオペラント学習に関与する大脳皮質のPT型・IT型投射細胞や大脳基底核線条体の直接路・間接路投射細胞に注目し、傍細胞記録やマルチユニット記録や2光子イメージングに単一細胞RNA-seq解析と理論的考証を組み合わせて、オペラント学習に伴う適応回路動態の仕組みを理解する。さらに、幅広いオペラント学習の行動解析を進めるとともに、大脳皮質-基底核の適応回路を支えるシナプス機能や可塑性の仕組みも解明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本計画では、げっ歯類の行動を最適化するオペラント学習を担う大脳皮質と大脳基底核の適応回路動態の仕組みを解明することを目指す。オペラント学習に関与する大脳皮質のPT型・IT型投射細胞と、それらの投射先である大脳基底核線条体の直接路・間接路投射細胞に注目し、マルチユニット記録や２光子イメージングで神経活動を計測した後に、単一細胞RNA-seq解析で各細胞の遺伝子発現プロファイルを決定し、適応回路の構成細胞の固有特性を明らかにする。その責任回路の因果性を光遺伝学的に検証したうえで理論的モデルにより作動原理を理解する。また幅広いオペラント学習の行動解析をおこなうとともに、大脳皮質-基底核の適応回路を支えるシナプス機能や可塑性の仕組みも解明する。
本年度は、礒村（研究代表者）はラットが前肢でレバーを操作すると報酬の水滴を得ることができるオペラント学習課題を遂行中に、大脳皮質や大脳基底核における神経細胞のスパイク活動を電気生理学的に計測した。特に報酬期待による行動関連活動の促進作用に注目して解析している。平理一郎（研究協力者）は光刺激系と2光子レーザー顕微鏡の機能増強と動作確認を進めるとともに、トランスクリプトーム解析系の導入にも着手した。佐藤（分担者）はげっ歯類に援助行動やナビゲーション行動や触覚弁別行動に関するオペラント学習課題を課し、堀江班と連携で学習前後での大脳皮質トランスクリプトームの変化を見出しつつある。苅部（分担者）はホールセルパッチ記録と形態学的可視化を組み合わせて、ラットの大脳基底核の線条体や淡蒼球の神経回路を構成する神経細胞サブタイプの構成とシナプス機能の特性を明らかにした。
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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
本年度は礒村（研究代表者）、佐藤（分担者）、苅部（分担者）ともに当初の研究構想に沿って行動実験系、電気生理学的、形態学的実験系を構築し、実際の実験データの取得を開始した。それぞれ興味深い予備的所見を得つつあり、研究計画はおおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、礒村（研究代表者）はラット・マウスの大脳皮質や大脳基底核からオペラント学習課題の行動や報酬の予測や応答に関連するスパイク活動データを収集する行動生理学実験を継続する。並行する2光子レーザー顕微鏡の構築も完了しており、特に報酬の予測や応答に関連する大脳皮質浅層の神経細胞のカルシウムイメージングを実施する。また、大脳皮質の神経細胞にCAMPARIを発現させておき、光照射で活動細胞を蛍光ラベルして１細胞トランスクリプトーム解析を施す実験系の確立に努める。佐藤（分担者）はラット・マウスに昨年度に開発した行動課題を学習させ、その学習前後で標的脳領域のbulk RNA-seq解析を行う。これにより学習過程に関連した遺伝子を同定する。さらに、in situハイブリダイゼーション法による当該遺伝子の発現解析を進める。苅部（分担者）はラットの大脳皮質や大脳基底核のスライス標本をもちいて、ホールセル記録により細胞種特異的なシナプス機能を解析する。また、経シナプス性のウイルスベクターを用いて、その神経回路を明らかにする。これらの手法で、神経細胞種特異的に蛍光物質を発現させ、組織を回収し、単一細胞RNA-seq解析を行う。いずれも堀江班や郷班と連携したトランスクリプトーム解析を実現するための実験技術上の予備的検討を含めて実施する。
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