行動変容の表出を規定する運動回路動態の解明

• Project Area: Deciphering and Manipulating Brain Dynamics for Emergence of Behaviour Change in Multidimensional Biology
• Project/Area Number: 22H05161
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: University of Yamanashi
• Principal Investigator: 喜多村 和郎 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (60423159)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山崎 匡 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (40392162)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥132,860,000 (Direct Cost: ¥102,200,000、Indirect Cost: ¥30,660,000); Fiscal Year 2025: ¥28,080,000 (Direct Cost: ¥21,600,000、Indirect Cost: ¥6,480,000); Fiscal Year 2024: ¥27,950,000 (Direct Cost: ¥21,500,000、Indirect Cost: ¥6,450,000); Fiscal Year 2023: ¥24,310,000 (Direct Cost: ¥18,700,000、Indirect Cost: ¥5,610,000); Fiscal Year 2022: ¥24,050,000 (Direct Cost: ¥18,500,000、Indirect Cost: ¥5,550,000)
• Keywords: 神経科学 / 小脳 / 大脳 / 運動制御 / イメージング

Outline of Research at the Start

行動には必ず運動が伴い、行動変容は最終的には運動変化として表出される。本研究では、運動の制御や学習に必須な小脳に着目し、その多様な情報表現と行動変容の関係を解明する。マウスが行動変容課題を実行中に、顔面運動や全身運動をモニターして課題の学習と相関して変容する特徴的な低次元行動を抽出する。それと同時に、小脳および大脳のネットワーク活動をイメージングし、大脳－小脳連関と行動変容の関係を明らかにする。行動変容の情報表現を細胞レベルで明らかにする。実験データをもとに、スーパーコンピュータによる大規模神経回路シミュレーションを行う。これらを統合し、行動変容の表出を担う運動回路動態の全貌を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

前年度に引き続いて、誤差に基づく小脳依存学習を調べた。マウスがキュー音に対してリッキングを行う行動課題を実行中に、マウスの運動を解析するとともに、課題実行中の小脳プルキンエ細胞の活動を2光子カルシウムイメージングにより解析した。リッキング運動中に、ノズルの位置を変化させることで感覚予測誤差を生じさせると顕著に登上線維応答を示すプルキンエ細胞が確認された。この反応は、試行の繰り返しによりリッキング運動が新しいノズル位置に適応するに従って減少することがわかり、感覚予測誤差を表していると考えられた。また、報酬や報酬予測誤差に相当すると思われる反応を示す細胞も確認された。今後はこれらの細胞の応答を詳細に解析することで、外部環境の変化に適応するメカニズムを明らかにする。
マクロ顕微鏡を用いた広域活動イメージングにより、前肢到達把持運動中のマウス小脳プルキンエ細胞活動のイメージングを行った。その結果、前肢の運動開始前後や把持の成功失敗など様々なタイミングで活動する細胞を同定することに成功した。今後は実験データを蓄積し、プルキンエ細胞集団による行動符号化について明らかにする。
マウス行動変容を再現・予測するための脳身体シミュレーションプラットフォームの構築を行った。脳モデルとして大脳皮質・基底核・小脳 ・視床からなるスパイキングネットワークモデル、身体モデルとして前肢によるレバー操作が可能なマウスの筋骨格系モデルを導入した。脳モデル－身体モデルを相互に接続した閉ループのシミュレーションをスパコン「富岳」と研究室のPC 2台、合計3台のコンピュータに分散させて実施し、小脳のゲイン学習による神経活動の変化の過程をシミュレートすることに成功した。その成果を国際共著論文（Front. Neurorobotics 2023）として出版した。今後は実際の行動変容のシミュレーションに利用していく。

Current Status of Research Progress

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

Reason

確立した行動変容課題を実行中のマウス小脳において、2光子カルシウムイメージング、マクロカルシウムイメージングにより行動適応に必要な活動の解析が順調に進んでいる。行動変容の大規模脳‐身体シミュレーション・プラットフォーム構築も計画通り順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

概ね順調に進展しているため、引き続き計画通り実験とシミュレーションを進めていく。

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] Cerebellar climbing fibers multiplex movement and reward signals during a voluntary movement task in mice (2023)
  • Author(s): Ikezoe Koji、Hidaka Naoki、Manita Satoshi、Murakami Masayoshi、Tsutsumi Shinichiro、Isomura Yoshikazu、Kano Masanobu、Kitamura Kazuo
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 6 Issue: 1 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1038/s42003-023-05309-9
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Embodied bidirectional simulation of a spiking cortico-basal ganglia-cerebellar-thalamic brain model and a mouse musculoskeletal body model distributed across computers including the supercomputer Fugaku (2023)
  • Author(s): Kuniyoshi Yusuke、Kuriyama Rin、Omura Shu、Gutierrez Carlos Enrique、Sun Zhe、Feldotto Benedikt、Albanese Ugo、Knoll Alois C.、Yamada Taiki、Hirayama Tomoya、Morin Fabrice O.、Igarashi Jun、Doya Kenji、Yamazaki Tadashi
  • Journal Title: Frontiers in Neurorobotics Volume: 17 Pages: 1269848-1269848
  • DOI: 10.3389/fnbot.2023.1269848
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Novel Device of Reaching, Grasping, and Retrieving Task for Head-Fixed Mice. Front Neural Circuit (2022)
  • Author(s): Manita, S., Ikezoe, K., and Kitamura, K.
  • Journal Title: Frontiers in Neural Circuits Volume: 16 Pages: 842748-842748
  • DOI: 10.3389/fncir.2022.842748
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In Vivo Wide-Field and Two-Photon Calcium Imaging from a Mouse using a Large Cranial Window (2022)
  • Author(s): Manita S, Shigetomi E, Bito H, Koizumi S, Kitamura K
  • Journal Title: Journal of Visualized Experiments Volume: 186 Issue: 186 Pages: 186-186
  • DOI: 10.3791/64224
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Modular Organization of Climbing Fiber Signals During Behavior (2023)
  • Author(s): Kazuo Kitamura
  • Organizer: Gorodon Research Conference Cerebellum
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of cranial windows that allow wide-field and two-photon calcium imaging from the same mouse (2023)
  • Author(s): Satoshi Manita, Eiji Shigetomi, Haruhiko Bito, Schuichi Koizumi, Kazuo Kitamura
  • Organizer: The 46th Annual Meeting of Japan Neuroscience Society
• [Presentation] Negative reward-prediction errors of climbing fiber inputs for cerebellar reinforcement learning algorithm (2023)
  • Author(s): Hoang Thien Huu, Shinichiro Tsutsumi, Masanori Matsuzaki, Masanobu Kano, Keisuke Toyama, Kazuo Kitamura, Mitsuo Kawato
  • Organizer: The 46th Annual Meeting of Japan Neuroscience Society
• [Presentation] Deciphering population coding in calcium and cAMP in vivo (2023)
  • Author(s): Tatsushi Yokoyama, Satoshi Manita, Hiroyuki Uwamori, Mio Tajiri, Itaru Imayoshi, Sho Yagishita, Masanori Murayama, Kazuo Kitamura, Masayuki Sakamoto
  • Organizer: The 46th Annual Meeting of Japan Neuroscience Society
• [Presentation] Spatial organization of climbing fiber inputs conveying different types of error signals to the cerebellar cortex (2023)
  • Author(s): Masayoshi Murakami, Tomoki Ishimaru, Keisuke Kameda, Kazuo Kitamura
  • Organizer: The 46th Annual Meeting of Japan Neuroscience Society
• [Presentation] Cerebellar climbing fibers jointly encode movement and reward signals during a voluntary forelimb movement task (2023)
  • Author(s): Ikezoe Koji、Hidaka Naoki、Manita Satoshi、Murakami Masayoshi、Tsutsumi Shinichiro、Isomura Yoshikazu、Kano Masanobu、Kitamura Kazuo
  • Organizer: Neuroscience 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The application of a large cranial window for wide-field and two-photon calcium imaging from the same mouse (2023)
  • Author(s): Satoshi Manita, Eiji Shigetomi, Haruhiko Bito, Schuichi Koizumi, Kazuo Kitamura
  • Organizer: Neuroscience 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel cranial window for in vivo calcium imaging (2023)
  • Author(s): Satoshi Manita, Shigetomi Eiji, Haruhiko Bito, Schuichi Koizumi, Kazuo Kitamura
  • Organizer: The 100th Anniversary Annual Meeting of The Physiological Society of Japan
• [Presentation] Establishment of a behavioral task to study neural mechanisms of behavioral (2023)
  • Author(s): Masayoshi Murakami, Tomoki Ishimaru, Keisuke Kameda, Kazuo Kitamura
  • Organizer: The 100th Anniversary Annual Meeting of The Physiological Society of Japan
• [Presentation] Cerebellar Purkinje cells encode behavioral information of multiplex modalities with their complex spikes and form functional modules (2023)
  • Author(s): Koji Ikezoe, Naoki Hidaka, Satoshi Manita, Masayoshi Murakami, Shinichiro Tsutsumi, Yoshikazu Isomura, Masanobu Kano, Kazuo Kitamura
  • Organizer: The 100th Anniversary Annual Meeting of The Physiological Society of Japan
• [Presentation] Establishment of a behavioral task to study neural mechanisms of various types of prediction error driven behavioral adaptations (2022)
  • Author(s): Masayoshi Murakami, Tomoki Ishimaru, Kazuo Kitamura
  • Organizer: NEURO2022/ The 45th Annual Meeting of the Japan
• [Presentation] Bidirectional associated changes in synchronization and climbing fiber responses of cerebellar Purkinje-cell dependent on compartments along with auditory discrimination go/no-go learning (2022)
  • Author(s): Hoang Thien Huu, Shinichiro Tsutsumi, Mitsuo Kawato, Kazuo Kitamura, Keisuke Toyama
  • Organizer: NEURO2022/ The 45th Annual Meeting of the Japan
• [Presentation] A new reaching, grasping, and retrieving task device for mice under head fixation (2022)
  • Author(s): Satoshi Manita, Koji Ikezoe, Kazuo Kitamura
  • Organizer: NEURO2022/ The 45th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [Presentation] Voltage imaging of simple spikes from Purkinje cells in acute cerebellar slice (2022)
  • Author(s): Eikichi Hashida, Satoshi Manita, Kazuo Kitamura
  • Organizer: NEURO2022/ The 45th Annual Meeting of the Japan