行動変容の基盤となる認知・学習回路動態の解明

• Project Area: Deciphering and Manipulating Brain Dynamics for Emergence of Behaviour Change in Multidimensional Biology
• Project/Area Number: 22H05160
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 松崎 政紀 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (50353438)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 尾藤 晴彦 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (00291964) ; 節家 理恵子 (市原理恵子) 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, 研究員 (30532535)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥224,250,000 (Direct Cost: ¥172,500,000、Indirect Cost: ¥51,750,000); Fiscal Year 2025: ¥43,680,000 (Direct Cost: ¥33,600,000、Indirect Cost: ¥10,080,000); Fiscal Year 2024: ¥43,420,000 (Direct Cost: ¥33,400,000、Indirect Cost: ¥10,020,000); Fiscal Year 2023: ¥42,510,000 (Direct Cost: ¥32,700,000、Indirect Cost: ¥9,810,000); Fiscal Year 2022: ¥50,440,000 (Direct Cost: ¥38,800,000、Indirect Cost: ¥11,640,000)
• Keywords: 行動変容 / マーモセット / イメージング / 大脳皮質

Outline of Research at the Start

マウスと小型霊長類マーモセットにおいて、意思決定／運動が関わる課題を構築し、この課題実行中の脳活動を広域また局所的に高精度イメージングし、かつ顔面表出を同時計測する。領域内連携によって、多細胞神経活動（脳情報動態）と多次元行動変容を次元圧縮して、マウスとマーモセットに共通の行動変容の基盤となる脳情報動態を解明する。行動変容前後での顔面表出および神経活動の変化にも注目し、目的の行動を選択する前に個体で何が起こっているのか、目的の行動を繰り返すと個体で何が変わるのかを明らかにし、動物の行動変容の回路機能基盤の理解を変革的に進める。

Outline of Annual Research Achievements

今年度は、研究項目１：マウス意思決定－運動の行動変容回路では、頭部固定マウスにおいて、レバーの重さを数回入れ替えることで2回目以降のレバーの重さ変化にマウスがより早く適応することを見出した。課題中のマウス神経活動を一次運動野以外の大脳皮質領域でもイメージングによって検出できるようにした。研究項目２：マーモセット意思決定の行動変容回路では、頭部固定マーモセットにおいて、視覚と聴覚刺激を手がかり刺激として研究項目１と同様の実験を行っているが、霊長類特有の行動変容回路を明らかにするために手がかり刺激に対して発声を行う課題の構築も行った。研究項目３：マウス連合記憶学習過程の行動変容回路では、学習過程で興奮性・抑制性細胞のどのような活動動態が、行動変容の生成の引き金となるのかを解明するために、音刺激と水報酬の連合記憶を形成させる条件付けをマウスに対して行い、同時にイメージングを行った。報酬前・音刺激直後の神経細胞活動の変化を明らかにするための解析を行った。研究項目４：マーモセット社会性意思決定の行動変容回路では、マーモセットを対面させる代わりに、マーモセットの行動を録画し、これをモニターに表示することで、実験個体の行動に変化が出るかを計測できる実験系を新たに構築し、モニター内での他者行動を注視していることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

マウス動物実験の構築およびイメージングによる神経活動計測は順調に進んでいる。マーモセットでは課題構築に少し時間がかかっているが、課題の改良によってマーモセットの行動変容がはっきりと観察されていることから、当初目的に対しておおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

本年度の実験を引き続き進め動物数とイメージング実験数を増やすとともに、神経活動と行動変容の関係性の解析を本格的に進める。

Research Products

• [Journal Article] Optogenetic stimulation of neurons in the anterior cingulate cortex induces changes in intravesical bladder pressure and the micturition reflex (2024)
  • Author(s): Mochizuki Takanori、Manita Satoshi、Shimura Hiroshi、Kira Satoru、Sawada Norifumi、Bito Haruhiko、Sakimura Kenji、Augustine George J.、Mitsui Takahiko、Takeda Masayuki、Kitamura Kazuo
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 14 Issue: 1 Pages: 6367-6367
  • DOI: 10.1038/s41598-024-56806-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Change detection in the primate auditory cortex through feedback of prediction error signals (2023)
  • Author(s): Obara Keitaro、Ebina Teppei、Terada Shin-Ichiro、Uka Takanori、Komatsu Misako、Takaji Masafumi、Watakabe Akiya、Kobayashi Kenta、Masamizu Yoshito、Mizukami Hiroaki、Yamamori Tetsuo、Kasai Kiyoto、Matsuzaki Masanori
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 6981-6981
  • DOI: 10.1038/s41467-023-42553-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic organization of cerebellar climbing fiber response and synchrony in multiple functional components reduces dimensions for reinforcement learning (2023)
  • Author(s): Huu Hoang, Shinichiro Tsutsumi, Masanori Matsuzaki, Masanobu Kano, Mitsuo Kawato, Kazuo Kitamura, Keisuke Toyama
  • Journal Title: eLife Volume: 12 Pages: 1-28
  • DOI: 10.7554/elife.86340
  • URL: https://localhost/en/publications/3b321932-7b92-48fa-89a1-3b828fb3af96
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Layer 5 Intratelencephalic Neurons in the Motor Cortex Stably Encode Skilled Movement (2023)
  • Author(s): Shinotsuka Takanori、Tanaka Yasuhiro R.、Terada Shin-Ichiro、Hatano Natsuki、Matsuzaki Masanori
  • Journal Title: The Journal of Neuroscience Volume: 43 Issue: 43 Pages: 7130-7148
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0428-23.2023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Lipidation states orchestrate CLICK-III/CaMKIgamma‘s stepwise association with Golgi and rafts-enriched membranes and specify its functional coupling to STEF-Rac1-dependent neurite extension (2023)
  • Author(s): Ageta-Ishihara N*, #(*共同筆頭著者, #共同責任著者), Takemoto-Kimura S*, Kondo Y, Okamura M, Bito H#.
  • Journal Title: Frontiers in Cellular Neuroscience Volume: 17 Pages: 1204302-1204302
  • DOI: 10.3389/fncel.2023.1204302
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transition of distinct context-dependent ensembles from secondary to primary motor cortex in skilled motor performance (2022)
  • Author(s): Terada Shin-Ichiro、Kobayashi Kenta、Matsuzaki Masanori
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 41 Issue: 3 Pages: 111494-111494
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111494
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Forster resonance energy transfer-based kinase mutation phenotyping reveals an aberrant facilitation of Ca2+/calmodulin-dependent CaMKIIα activity in de novo mutations related to intellectual disability (2022)
  • Author(s): Fujii Hajime、Kidokoro Hiroyuki、Kondo Yayoi、Kawaguchi Masahiro、Horigane Shin-ichiro、Natsume Jun、Takemoto-Kimura Sayaka、Bito Haruhiko
  • Journal Title: Frontiers in Molecular Neuroscience Volume: 15 Pages: 1-20
  • DOI: 10.3389/fnmol.2022.970031
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Cerebellar-thalamocortical pathway for motor timing (2024)
  • Author(s): Matsuzaki, Masanori
  • Organizer: OIST Workshop "Sensorimotor circuits for limb control"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Roles of cerebellar-thalamocortical pathway in motor timing regulation (2023)
  • Author(s): Ako, Rie
  • Organizer: Modulation of Neural Circuits and Behavior Gordon Research Seminar
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Roles of cerebellar-thalamocortical pathway in motor timing regulation (2023)
  • Author(s): Ako, Rie
  • Organizer: Modulation of Neural Circuits and Behavior Gordon Research Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 小脳視床大脳皮質経路による運動タイミング制 御機構 (2023)
  • Author(s): 赤穂 吏映
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] マウスおよびマーモセット脳への正確・迅 速・高密度なウイルス注入を実現する多点自動 インジェクションロボットの開発 (2023)
  • Author(s): 野村 晋ノ介
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] Activity of cerebellar-thalamocortical pathway regulates delayed movement timing (2023)
  • Author(s): Ako, Rie
  • Organizer: The 2nd RIKEN CBS Co-Creation International Conference
  • Int'l Joint Research