行動変容を導く皮質ー皮質下相互作用

• Project Area: Deciphering and Manipulating Brain Dynamics for Emergence of Behaviour Change in Multidimensional Biology
• Project/Area Number: 22H05162
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Tamagawa University
• Principal Investigator: 田中 康裕 玉川大学, 脳科学研究所, 教授 (20533128)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高田 美絵子 (森島美絵子) 同志社大学, 脳科学研究科, 准教授 (30435531) ; 倉本 恵梨子 鹿児島大学, 医歯学域歯学系, 助教 (60467470)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥85,800,000 (Direct Cost: ¥66,000,000、Indirect Cost: ¥19,800,000); Fiscal Year 2025: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2024: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2023: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2022: ¥15,600,000 (Direct Cost: ¥12,000,000、Indirect Cost: ¥3,600,000)
• Keywords: 大脳皮質 / 大脳基底核 / 行動変容

Outline of Research at the Start

行動変容には意思決定過程が本質的に介在する。意思決定には、様々な外的・内的要因による揺らぎが存在し、このメカニズムを解明することは行動変容を理解あるいは予測、操作するうえで重要である。意思決定に関わる神経回路として大脳皮質－大脳基底核－視床ループがある。そのために、意思決定学習課題における行動を解析し、学習過程での大脳皮質－大脳基底核－視床並列ループ情報動態を測定する。

Outline of Annual Research Achievements

意思決定に関わる神経回路として大脳皮質－大脳基底核－視床ループがある。この回路について解剖学から得られた知見として、並列する複数のループからなることが挙げられる。つまり、大脳基底核の入力部位である線条体には入力元となる皮質を違えた分画があり、大脳基底核の出力部位である黒質から視床に至るまで、独立した結合関係を保ちつつループ構造を作っているという知見である。本研究は意思決定学習過程における大脳皮質－大脳基底核－視床並列ループの脳ダイナミクス（脳情報動態）変化及びその働きを解明することを目的としている。ラットを用いた視覚刺激判別による意思決定課題の開発を行った。また、訓練過程で電気生理記録を行うため、ニューロピクセル電極を用いた慢性記録のための技術開発を行った。複数カメラの設置や同期などを行い、高次元行動変容データの取得を行った。また、２光子顕微鏡下での課題装置の構築を行った。脳情報動態計測を促進するために、A01井上との共同研究として井上らが独自に開発したウイルスの供与を受け、これを用いた解析を行っている。
ニューロピクセル電極を用いて、帯状皮質－背内側線条体、運動皮質－背外側線条体などの2つのループで同時記録を行い解析している。また、電極記録位置の3次元同定を簡便化する開発を行った。具体的には簡易型のライトシート顕微鏡を作成し、固定脳の透明化法と合わせることで、蛍光染料を塗布した電極位置を脳切片を作ることなく観察することが可能となった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ラットを用いた行動課題開発とカメラによる行動の多次元記録系を開発し、ニューロピクセル電極を用いて帯状皮質－背内側線条体、運動皮質－背外側線条体などの2つのループで同時記録を行い、解析を行っており、電極記録位置の3次元同定を簡便化する開発をも行ったため。
さらに、訓練過程で電気生理記録を行うための慢性記録法の技術開発を行い、２光子顕微鏡下での課題装置の構築と記録も行ったため。
また、班内、および領域内の共同研究を進めているため。

Strategy for Future Research Activity

行動課題実行中の神経活動の記録と解析を行う。
ロングエバンスラットにおいて電極記録位置の3次元同定を簡便化する開発、特にソフトウェア面での開発を行う。
慢性記録のための技術開発と適用に挑戦する。
2光子顕微鏡観察と細胞外記録の同時記録に挑戦する。
班内・領域内の共同研究を推進する。

Research Products

• [Journal Article] Three‐dimensional topography of rat trigeminal ganglion neurons using a combination of retrograde labeling and tissue‐clearing techniques (2024)
  • Author(s): Kuramoto Eriko、Fukushima Makoto、Sendo Ryozo、Ohno Sachi、Iwai Haruki、Yamanaka Atsushi、Sugimura Mitsutaka、Goto Tetsuya
  • Journal Title: Journal of Comparative Neurology Volume: 532 Issue: 2
  • DOI: 10.1002/cne.25584
  • 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] Activity-dependent organization of prefrontal hub-networks for associative learning and signal transformation (2023)
  • Author(s): Agetsuma Masakazu、Sato Issei、Tanaka Yasuhiro R.、Carrillo-Reid Luis、Kasai Atsushi、Noritake Atsushi、Arai Yoshiyuki、Yoshitomo Miki、Inagaki Takashi、Yukawa Hiroshi、Hashimoto Hitoshi、Nabekura Junichi、Nagai Takeharu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 5996-5996
  • DOI: 10.1038/s41467-023-41547-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Excitatory subtypes of the lateral amygdala neurons are differentially involved in regulation of synaptic plasticity and excitation/inhibition balance in aversive learning in mice (2023)
  • Author(s): Morishima Mieko、Matsumura Sohta、Tohyama Suguru、Nagashima Takashi、Konno Ayumu、Hirai Hirokazu、Watabe Ayako M.
  • Journal Title: Frontiers in Cellular Neuroscience Volume: 17 Pages: 1-14
  • DOI: 10.3389/fncel.2023.1292822
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Circadian rhythm of PERIOD2::LUCIFERASE expression in the trigeminal ganglion of mice. (2023)
  • Author(s): 1.Yukie Shirakawa, Sachi N. Ohno, Kanae A. Yamagata, Kazuaki Yamagata, Eriko Kuramot, Yoshiaki Oda, Takahiro J. Nakamura, Wataru Nakamura and Mitsutaka Sugimura.
  • Journal Title: Frontiers in Neuroscience Volume: - Pages: 1142785-1142785
  • DOI: 10.3389/fnins.2023.1142785
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 運動皮質L5a-IT細胞は、学習で得た運動を安定的にコードする (2024)
  • Author(s): 田中康裕
  • Organizer: 令和5年度大脳基底核機能研究会
  • Invited
• [Presentation] Acquiring information of axonal activity in vivo with two-photon calcium imaging: study on thalamocortical axons during motor learning (2024)
  • Author(s): Yasuhiro Tanaka
  • Organizer: 第101回日本生理学会大会
  • Invited
• [Presentation] Analysis of spine density in thalamocortical cells (2024)
  • Author(s): Eriko Kuramoto, Hajnalka Bokor, Laszlo Acsady
  • Organizer: Gordon Research Conference, Thalamocortical Interaction
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 頭頚部の感覚を受容するマウス三叉神経系について、アデノ随伴ウイルスベクターを用いた形態学的研究 (2024)
  • Author(s): 倉本恵梨子、岩井治樹 、山中淳之 、後藤哲哉
  • Organizer: 第129回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Presentation] 多細胞神経活動記録による神経ダイナミクスの探求 (2023)
  • Author(s): 田中康裕
  • Organizer: 生理研研究会「力学系の視点からの脳・神経回路の理解」
  • Invited
• [Presentation] 多細胞神経活動と行動データの解析 (2023)
  • Author(s): 田中康裕
  • Organizer: 神経回路学会サテライトシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Stable encoding of skilled movement by layer 5 intratelencephalic neurons in the motor cortex (2023)
  • Author(s): Yasuhiro Tanaka
  • Organizer: 生理学研究所部門公開セミナー
  • Invited
• [Presentation] Multi-regional, multi-cellular approaches to reward-related representation in rodents (2023)
  • Author(s): 田中康裕
  • Organizer: International Symposium for Well-being and Agency
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Neural activity dynamics of medial prefrontal cortex during operant conditioning (2023)
  • Author(s): 杉本翔哉、田中康裕
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stable encoding of learned movement by layer 5 intratelencephalic neurons in the motor cortex. (2023)
  • Author(s): Yasuhiro R Tanaka , Takanori Shinotsuka , Shin-Ichiro Terada , Natsuki Hatano , Masanori Matsuzaki
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research
• [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46回日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cholinergic axonal dominance in the cerebral hemisphere and its relation to hand switching (2023)
  • Author(s): Kazuki Okamoto, Yasuhiro Tanaka, Shigeki Kato, Kazuto Kobayashi, Masato Koike, Hiroyuki Hioki
  • Organizer: 第129回日本解剖学会
• [Presentation] Elucidation of the neural system representing subjective value through population neuronal activity (2023)
  • Author(s): Yasuhiro Tanaka
  • Organizer: JST-LIR Collaborative Workshop on human well-being and resilience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大脳半球独立的なアセチルコリン投射により利き手矯正が成立する (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29回海馬と高次脳機能学会
• [Presentation] ラット前頭皮質における興奮-抑制局所回路について (2023)
  • Author(s): 森島 美絵子
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マウス三叉神経核から大脳皮質へと至る神経回路の、アデノ随伴ウイルスベクターを用いた解析 (2023)
  • Author(s): 倉本恵梨子、岩井治樹 、山中淳之 、後藤哲哉
  • Organizer: 第64回 歯科基礎医学学術大会
• [Presentation] Layer 5 intratelencephalic neurons in the motor cortex stably encode learned goal-directed movement (2022)
  • Author(s): 篠塚徳崇、田中康裕、寺田晋一郎、畠野夏輝、松崎政紀
  • Organizer: 新学術領域「脳情報動態」第3回国際シンポジウム
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] in vivo 脳ダイナミクス研究の現在 (2022)
  • Author(s): 田中康裕
  • Organizer: 東北大学電気通信研究所 共同プロジェクト研究・非線形ワークショップ 合同研究会
• [Book] 教養としての脳 (2024)
  • Author(s): 田中康裕、小口峰樹、小松英彦、武井智彦、酒井裕、松元健二、鮫島和行、松田哲也、佐々木謙、佐々木哲彦
  • Total Pages: 270
  • Publisher: 共立出版
  • ISBN: 9784320058422