Gene and cell function dynamics underlying behavioral adaptation in response to environments
| Project Area | Census-based biomechanism of circuit construction and transition for adaptive brain functions |
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| Project/Area Number |
21H05244
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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 | Fukushima Medical University |
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Principal Investigator |
小林 和人 福島県立医科大学, 医学部, 教授 (90211903)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松下 夏樹 愛知医科大学, 医学部, 准教授 (40271556)
瀬戸川 将 大阪公立大学, 大学院医学研究科, 特任助教 (30760508)
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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 |
¥80,470,000 (Direct Cost: ¥61,900,000、Indirect Cost: ¥18,570,000)
Fiscal Year 2024: ¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000)
Fiscal Year 2023: ¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000)
Fiscal Year 2022: ¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000)
Fiscal Year 2021: ¥18,980,000 (Direct Cost: ¥14,600,000、Indirect Cost: ¥4,380,000)
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| Keywords | 刺激弁別学習 / 線条体 / 遺伝子発現 / 神経活動 / 機能操作 |
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| Outline of Research at the Start |
動物はさまざまな環境変化に応答して自らの行動を変容させる。聴覚刺激に基づく弁別学習を獲得する際に、学習の進行に伴って前方の背外側線条体から後方の腹側線条体に神経活動が遷移し、この遷移が学習行動に重要な役割を持つことが示唆される。学習獲得の過程で時期・領域特異的に発現する遺伝子を神経活動に基づくRNA-seq解析によりプロファイル化し、特徴的な発現変動を示す遺伝子を同定し、それらの遺伝子の機能をノックダウン技術により解明するとともに、学習の獲得に重要な役割を果たす経路を選択的な機能操作技術を用いて明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
聴覚刺激に基づく弁別学習を獲得する際に、学習中期には前方の背外側線条体(aDLS)が、その後期には後方の腹側線条体(pVLS)の活動が亢進し、学習の進行のために両者の回路が時間空間的に統合される可能性が示唆される。学習獲得の過程で時期・領域特異的に発現する遺伝子を神経活動に基づくRNA-seq解析により特徴的な発現変動を示す遺伝子を同定し、それらの線条体内発現パターンや発現細胞種の構造的特性を解析するとともに、RNA干渉およびゲノム編集によるノックダウン技術を利用して遺伝子機能を解析する。また、学習の進行に重要な役割を果たす経路をウイルスベクターによる機能操作技術を用いて細胞レベルで解析する。聴覚弁別学習を獲得する過程で時期・領域特異的に発現変動する遺伝子を同定するために、ラットの異なる学習段階で、aDLSおよびpVLSを切り出し、そこからRNAを抽出し、RNAseq法を用いて遺伝子の発現プロファイルに関する解析を、郷班と連携し、予備的な解析を行うことによって複数の候補遺伝子を見出した。これらの結果をより精度高く評価するために、単一細胞RNAseq法を利用し、候補遺伝子を絞り込む計画でいる。また、学習の進行に重要な役割を果たす経路を細胞レベルで明らかにするために、aDLSおよびpVLSの入出力経路を解剖学的に検討した。昨年度、それぞれの領域にトレーサーを注入し、両者の入力あるいはそれらから出力する領域は相違し、異なる神経回路ループを構成することを示し、aDLSとpVLSのそれぞれの領域において特徴的な神経活動を検出した。今年度は、とくに出力系の機能を直接路と間接路にわけて、学習獲得への寄与を評価した。経路選択的な除去実験から、弁別学習の獲得には、主に、直接路が関与しており、間接路は機能的に必要でないことが示唆された。
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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
聴覚弁別学習を獲得する過程で時期・領域特異的に発現変動する遺伝子の同定において、郷班と連携し、予備的な解析を行ったところ、複数の候補遺伝子が見出された。また、学習の進行に重要な役割を果たす経路を細胞レベルで明らかにするために、aDLSおよびpVLSから投射する直接路と間接路の機能を経路選択的除去法により検討した。学習の獲得過程には、主に、直接路の機能が重要な役割を持つことが示唆された。
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| Strategy for Future Research Activity |
聴覚弁別学習を獲得する過程で時期・領域特異的に発現変動する遺伝子解析に関して、郷班との連携を進め、発現変動する遺伝子を探索する。バルクのRNAseq解析より明らかになった結果を、単一細胞RNAseq法を用いて、さらに高い精度で評価する。遺伝子発現プロファイルを解析し、線条体の細胞種ごとに発現変化する遺伝子群を同定する。また、学習の進行に重要な役割を果たす経路を細胞レベルで明らかにするために、第一に、aDLSおよびpVLSから出力する直接路に焦点をあて、そこからの投射先を同定する。順行性に標識される領域について、線条体にAAV1-Creベクターを注入し、神経終末からのベクターの輸送を介して、2次ニューロンにCreを発現させる。この領域にCre-loxP組み換え依存性にGFPを発現するベクターを注入し、2次ニューロンの投射先を解析する。第二に、経路の機能を解析するために、aDLSおよびpVLSから投射する直接路について、それらの機能を化学遺伝学により抑制することによって弁別学習の獲得に与える役割を確認する。
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Report
(2 results)
Research Products
(15 results)
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[Journal Article] 2. Highly selective transgene expression through the flip-excision switch system by using a unilateral spacer sequence.2023
Author(s)
Matsushita, N.*, Kato, S.*, Nishizawa, K., Sugawara, M., Takeuchi, K., Miyasaka, Y., Mashimo, T. and Kobayashi, K. * Equal contribution
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Journal Title
Cell Rep. Methods
Volume: 3
Issue: 2
Pages: 100393-100393
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] 3. Catecholaminergic cell type-specific expression of Cre recombinase in knock-in transgenic rats generated by the Combi-CRISPR technology.2022
Author(s)
Matsushita, N., Nishizawa, K., Kato, S., Iguchi, Y., Fukabori, R., Takeuchi, K., Miyasaka, Y., Mashimo, T. and Kobayashi, K.
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Journal Title
J. Neurosci. Methods
Volume: 381
Pages: 109707-109707
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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