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
• Project/Area Number: 21H05244
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Fukushima Medical University
• Principal Investigator: 小林 和人 福島県立医科大学, 医学部, 教授 (90211903)
• 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)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥80,470,000 (Direct Cost: ¥61,900,000、Indirect Cost: ¥18,570,000); Fiscal Year 2025: ¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000); 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)
• Keywords: 刺激弁別学習 / 線条体 / 遺伝子発現 / 神経活動 / 機能操作

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。

Outline of Annual Research Achievements

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、single-cell RNAseq法を用いてラットの異なる学習段階（学習前、学習初期、学習後期）で、aDLSおよびpVLSを切り出し、RNAseq法を用いて遺伝子の発現プロファイルを解析した。線条体亜領域を構成する細胞種ごとに、特に主要な細胞種であるmedium spinyニューロンに注目し、D1RとD2Rを含有する2種類の細胞種について、学習の異なる段階で特徴的な発現変化を示す遺伝子群を探索した。これまでの細胞種機能の解析から、学習の獲得プロセスにはaDLSとpVLSの直接路を構成するD1R含有medium spinyニューロンが必須の役割を担うことを細胞除去および化学遺伝学抑制実験により明らかにした。そのため、この細胞種に注目して解析を進めた結果、aDLSとpVLSでそれぞれ14と10種類の遺伝子群を見出した。これらは、cAMPシグナル系、低分子量GTPaseシグナル系、カルシウムシグナル系などの分子に関連した。また、両者への入力経路として、視床髄板内核（とくに束傍核）からaDLSに入力する経路が重要なことを見出しており、この経路の化学抑制実験の準備および電気生理応答解析の準備を行った。大脳皮質領野からpVLSへの入力については、特に島皮質からの入力について選択的除去を行った結果、学習の保持に障害が観察された。が黒質からのドーパミン経路について、aDLS/pVLSに投射する経路を6-hydroxydopamineを用いた除去実験により、pVLSから投射するドーパミン系が学習獲得に関与することを見出した。

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、単一細胞RNAseqを行い、詳細な遺伝子発現パターンの解析を実施し、学習に関連する複数の遺伝子を同定できた。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の機能を経路選択的除去法と化学遺伝学ににより確認できた。学習の獲得過程に関わるaDLSへ投射する視床線条体路とpVLSへ入力する皮質あるいは黒質線条体路の役割を見出すことに成功した。

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、aDLSとpVLSにおける線条体直接路細胞でそれぞれ14と10種類の遺伝子群を見出した。今後は、特にaDLSにおいて同定した14種類の遺伝子の学習獲得における役割を解析するために、ゲノム編集技術を用いたノックアウトシステムを導入する。まず、Cas9ヌクレアーゼを搭載したレンチウイルスベクターを用いて複数個の遺伝子の効率的なノックダウンが可能かどうかを予備実験によって調査し、14種類の遺伝子をいくつかのグループに分け同時ノックダウンし、学習獲得への影響を解析する。顕著な獲得障害の認められたグループについて、これを構成する個々の遺伝子について選択的なノックダウンを行い、学習行動への影響を解析し、学習獲得に関与する遺伝子を絞り込む。また、経路選択的除去および化学遺伝学的研究から、学習の獲得に直接路細胞が必須の役割を担うことを明らかにした。今後は、この細胞種が学習獲得の際にどのような神経活動を示すかを電気生理学的解析により明らかにする。マルチユニット記録法を用い、aDLSから複数の細胞の活動を記録し、学習初期、中期、後期にわけてイベント関連ニューロンの活動を分析する。行動結果への関連や報酬後の放電に焦点をあて、学習の進行による細胞数の変動を分析する。特徴的な神経活動が見出された場合、その活動を操作することによる行動への影響を明らかにする。また、直接路からの出力経路を解剖学的に明らかにする.

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Lausanne(スイス)
• [Int'l Joint Research] Lausanne University(スイス)
• [Int'l Joint Research] Navarra University(スペイン)
• [Journal Article] Amygdalo-cortical dialogue underlies memory enhancement by emotional association (2025)
  • Author(s): Saito Yoshihito、Osako Yuma、Odagawa Maya、Oisi Yasuhiro、Matsubara Chie、Kato Shigeki、Kobayashi Kazuto、Morita Mitsuhiro、Johansen Joshua P.、Murayama Masanori
  • Journal Title: Neuron Volume: 113 Issue: 6 Pages: 931-948.e7
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2025.01.001
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Acquisition of auditory discrimination mediated by different processes through two distinct circuits linked to the lateral striatum (2024)
  • Author(s): Setogawa Susumu、Okauchi Takashi、Hu Di、Wada Yasuhiro、Hikishima Keigo、Onoe Hirotaka、Nishizawa Kayo、Sakayori Nobuyuki、Miyawaki Hiroyuki、Kitanishi Takuma、Mizuseki Kenji、Cui Yilong、Kobayashi Kazuto
  • Journal Title: eLife Volume: reviewed preprint Pages: 1-32
  • DOI: 10.7554/elife.97326.1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Two parabrachial Cck neurons involved in the feedback control of thirst or salt appetite (2024)
  • Author(s): Matsuda Takashi、Kobayashi Kenta、Kobayashi Kazuto、Noda Masaharu
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 43 Issue: 1 Pages: 113619-113619
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.113619
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chemogenetic activation of mammalian brain neurons expressing insect Ionotropic Receptors by systemic ligand precursor administration (2024)
  • Author(s): Iguchi Yoshio、Fukabori Ryoji、Kato Shigeki、Takahashi Kazumi、Eifuku Satoshi、Maejima Yuko、Shimomura Kenju、Mizuma Hiroshi、Mawatari Aya、Doi Hisashi、Cui Yilong、Onoe Hirotaka、Hikishima Keigo、Osanai Makoto、Nishijo Takuma、Momiyama Toshihiko、Benton Richard、Kobayashi Kazuto
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 7 Issue: 1 Pages: 547-547
  • DOI: 10.1038/s42003-024-06223-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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
  • Journal Title: Cell Rep. Methods Volume: 3 Issue: 2 Pages: 100393-100393
  • DOI: 10.1016/j.crmeth.2022.100393
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] HiRet/NeuRet Vectors: Lentiviral System for Highly Efficient Gene Transfer Through Retrograde Axonal Transport (2023)
  • Author(s): Kobayashi Kenta、Kato Shigeki、Kobayashi Kazuto
  • Journal Title: Neuromethods, Vectorology for optogenetics and chemogenetics Volume: 195 Pages: 17-27
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2918-5_2
  • ISBN: 9781071629178, 9781071629185
• [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.
  • Journal Title: J. Neurosci. Methods Volume: 381 Pages: 109707-109707
  • DOI: 10.1016/j.jneumeth.2022.109707
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thalamostriatal System Controls the Acquisition, Performance, and Flexibility of Learning Behavior (2021)
  • Author(s): Kato Shigeki、Nishizawa Kayo、Kobayashi Kazuto
  • Journal Title: Frontiers in Systems Neuroscience Volume: 15 Pages: 729389-729389
  • DOI: 10.3389/fnsys.2021.729389
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 小林 和人、瀬戸川将 (2025)
  • Author(s): 刺激弁別学習の獲得プロセスにおける線条体亜領域の神経活動パターン
  • Organizer: 大脳基底核機能研究会
• [Presentation] Distinct distribution of midbrain dopamine neurons projecting to the anterior dorsolateral striatum and posterior ventrolateral striatum required for the acquisition of auditory discrimination task. (2024)
  • Author(s): Akama, S., Setogawa, S., Nishizawa, K., Iguchi, Y., and Kobayashi, K.
  • Organizer: 第47回日本神経科学学会
• [Presentation] Identification of the brain regions projecting to thalamostriatal neurons essential for the acquisition of auditory discrimination. (2024)
  • Author(s): Ichikawa, S., Nishizawa, K., Setogawa, S., Kato, S., and Kobayashi, K.
  • Organizer: 第47回日本神経科学学会
• [Presentation] Sunahara, M., Alain, R., Kawahata, M., Kato, S., Hamada, S., Ohtsuka, M/. Kobayashi, K., Takahashi, H., and Isomura, Y. (2024)
  • Author(s): The functional role of thalamic reticular nucleus in motor execution and control
  • Organizer: 第47回日本神経科学学会
• [Presentation] 高精度な細胞タイプ選択的遺伝子発現を実現するCre-Flex/USSスイッチシステム (2023)
  • Author(s): 松下夏樹, 西澤佳代, 加藤成樹, 井口善生, 深堀良二, 武内恒成, 宮坂佳樹, 真 知士, 小林和人
  • Organizer: 第43回日本神経科学会
• [Presentation] 運動学習のアセチルコリンは脳半球内部で供給される (2023)
  • Author(s): 岡本和樹、田中康裕 、加藤成樹、小林和人、小池正人、日置寛之
  • Organizer: 第43回日本神経科学会
• [Presentation] Combi-CRISPR技術により作製したカテコールアミン細胞特異的にCre recombinaseを発現するノックインラットの解析 (2023)
  • Author(s): 西澤佳代, 松下夏樹, 加藤成樹, 井口善生, 深堀良二, 武内恒成, 宮坂佳樹, 真下知士, 小林和人
  • Organizer: 第43回日本神経科学会
• [Presentation] 予期による感覚情報表現の鋭敏化を制御する非一次視床皮質回路 (2023)
  • Author(s): 厚美佑輔、大本育実、唐木智充、小林碧、小田川摩耶、大石康博、松原智恵、小林憲太、小林和人、加藤成樹、太田桂輔、村山正宜
  • Organizer: 第43回日本神経科学会
• [Presentation] Integration of Reward Expectation and Action Selection in the Nigrostriatal System (2023)
  • Author(s): Alain Rios, Satoshi Nonomura, Shigeki Kato, Junichi Yoshida, Natsuki Matsushita, Atsushi Nambu, Masahiko Takada, Riichiro Hira, Kazuto Kobayashi, Yutaka Sakai, Minoru Kimura, Yoshikazu Isomura
  • Organizer: 第43回日本神経科学会
• [Presentation] 腹側被蓋野ドーパミンニューロンの活動操作はオペラント行動の動機づけに影響する (2023)
  • Author(s): 小林和人、井口善生
  • Organizer: 第100回日本生理学会
  • Invited
• [Presentation] 学習と動機付けを制御する神経回路の仕組 (2022)
  • Author(s): 小林和人
  • Organizer: 第24回活性アミンに関するワークショップ
  • Invited
• [Presentation] Combi-CRISPR技術により作製したカテコールアミン細胞特異的にCre recombinase を発現するTH-Creノックインラットの性状解析 (2022)
  • Author(s): 松下 夏樹, 西澤 佳代, 加藤 成樹, 井口 善生, 深堀 良二, 武内 恒成, 宮坂 佳樹, 真下 知士, 小林 和人
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会
• [Presentation] 目標指向的に行動するための意欲の制御におけるVTAドーパミンニューロンの多面的な役割 (2022)
  • Author(s): 井口 善生、加藤 成樹、小林 和人
  • Organizer: 第45回日本神経科学会
• [Presentation] 聴覚性刺激を手がかりとした学習行動における視床線条体入力 (2022)
  • Author(s): 加藤 成樹、小林 和人
  • Organizer: 第45回日本神経科学会
• [Presentation] 行動の適応を制御する神経ネットワーク：線条体入力系を中心に (2021)
  • Author(s): 小林和人
  • Organizer: 第53回東北生理談話会
  • Invited
• [Presentation] Thalamostriatal system controls learning and switching of behaviors (2021)
  • Author(s): Kazuto Kobayashi
  • Organizer: International Conference on Neuroscience and Psychiatry
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高頻度逆行性ウイルスベクターによる線条体subdivisionへの入力解析 (2021)
  • Author(s): 加藤成樹、小林和人
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] 条件付き弁別学習の獲得過程において活動変化を起こす線条体亜領域へ投射する視床領域の同定 (2021)
  • Author(s): 西澤 佳代、瀬戸川 将、加藤 成樹、小林 和人
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会