発達とその障害における行動変容と広域脳動態の解明

• Project Area: Deciphering and Manipulating Brain Dynamics for Emergence of Behaviour Change in Multidimensional Biology
• Project/Area Number: 22H05158
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 石田 綾 国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, チームディレクター (40424171)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥95,420,000 (Direct Cost: ¥73,400,000、Indirect Cost: ¥22,020,000); Fiscal Year 2025: ¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000); Fiscal Year 2024: ¥14,430,000 (Direct Cost: ¥11,100,000、Indirect Cost: ¥3,330,000); Fiscal Year 2023: ¥22,230,000 (Direct Cost: ¥17,100,000、Indirect Cost: ¥5,130,000); Fiscal Year 2022: ¥30,030,000 (Direct Cost: ¥23,100,000、Indirect Cost: ¥6,930,000)
• Keywords: 脳発達 / 発達障害 / 行動変容 / 広域脳活動 / シナプス / ネットワーク / 大脳 / 小脳

Outline of Research at the Start

発達に伴う行動変容は広域脳ネットワークに支えられるが、その実態については未解明な点が多い。本研究では、発達を支える広域脳動態の時空間変化を全脳イメージングにより捉え、発達障害モデルマウスでのネットワーク変化を同定し「発達変容ネットワーク」と「障害感受性ネットワーク」を人為的にシフトする方法を考案する。また、Rett症候群モデルマウスでは行動介入により発症を軽減できるとの報告を踏まえ、広域脳動態と行動変容の関係を明らかにする。多元データ解析についてはA01山川・A02中江と、解剖学的解析についてはA01 井上と連携し、脳発達を支える行動変容生物学に新たな変革をもたらす。

Outline of Annual Research Achievements

発達に伴う行動変容は広域脳ネットワークに支えられるが、その実態については未解明な点が多い。本研究では、発達を支える広域脳動態の時空間変化を全脳イメージングにより捉え、「発達変容ネットワーク」と「障害感受性ネットワーク」を同定し介入方法を考案することを目的としている。
運動時の脳活動を測定するためには、マウス頭部を回転棒(ローターロッド)上で固定し、安静時、自発歩行時、強制歩行時の3条件で1光子広視野イメージングを行う計画である。本年度は回転棒からロータリーエンコーダーを介して回転速度を計測するための実験系のセットアップを行った。また、歩行と連動した視覚入力をマウスに与え、より自然な歩行運動を促すために、Bonsai（BonVision: Lopes et al, eLife 2021）を利用しバーチャルリアリティ（VR）と組み合わせた実験系を構築した。イメージング、歩行、VRを同期し、取得したカルシウムシグナルから体動によるノイズを除去した上で、運動に誘発される神経活動の変化を検出することが可能となった。
また行動解析、解剖学的解析を含めた多次元データ解析について領域内の連携を進めている。行動解析についてはA01中江班に協力いただき、独自に開発した全自動行動装置（Operant House）内で撮影した動画を用いてDeepLabCut解析を行い、マウスの自発的行動パターンを無作為で抽出する系を立ち上げている。また、解剖学的解析についてはA02井上班に協力いただき、組換え狂犬病ウイルスによるトレーシングを用い、病態モデルマウスの皮質間シナプスを全脳レベルで解析している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

バーチャルリアリティー内での歩行時に皮質の神経活動を広い範囲で定量することが可能となり、今後必要な実験系が構築できたため。

Strategy for Future Research Activity

これまでに構築した実験系を用い、発達障害モデルマウスの大脳皮質ネットワークにおける変化を捉える。また、小脳と大脳を同時にイメージングすることを目的とし、AAV、トランスジェニックマウス等、カルシウムセンサーの導入方法について条件検討を進める。さらに、生後発達による変化を捉えるため、生後10日から21日まで異なる週齢のマウスでイメージングを行う計画である。幼若マウスの頭部固定方法を検討し、データを取得する。

Research Products

• [Journal Article] 特集 シナプス Ⅰ.シナプス発生:形成と成熟 単一遺伝子疾患からアプローチする神経発達障害 (2023)
  • Author(s): 石田綾
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 74 Issue: 1 Pages: 23-26
  • DOI: 10.11477/mf.2425201634
  • ISSN: 0370-9531, 1883-5503
  • Year and Date: 2023-02-15
• [Presentation] Dissecting the mechanisms of behavioral changes in developmental disorders (2023)
  • Author(s): Ito-Ishida, Aya
  • Organizer: The 1st International Symposium of “Biology of Behavior Change”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Understanding cortical dynamics that underlie behavioral changes in developmental disorders (2022)
  • Author(s): Ito-Ishida, Aya
  • Organizer: 学術変革A 『行動変容生物学』第1回領域会議 東京
  • Invited
• [Presentation] 発達期の行動変容を支える新規メカニズムの解明 (2022)
  • Author(s): 石田綾
  • Organizer: 次世代脳 合同シンポジウム2022: 神経回路研究の新潮流
  • Invited
• [Presentation] 発達障害の理解にむけて：分子と行動をつなぐアプローチ (2022)
  • Author(s): 石田綾
  • Organizer: 第63回日本視能矯正学会
  • Invited
• [Presentation] Understanding the pathogenesis of Rett syndrome from multiple perspectives (2022)
  • Author(s): Ito-Ishida, Aya
  • Organizer: RIKEN CBS-KIST BSI Joint Symposium
  • Invited
• [Book] 精神医学領域の論文を読みこなすキーワード100！ (2023)
  • Author(s): 鬼塚俊明編著 石田綾 （分担著者）
  • Total Pages: 3
  • Publisher: 新興医学出版社
  • ISBN: 9784880028866