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, 研究開発推進機構, 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 2025)
• Budget Amount: ¥85,800,000 (Direct Cost: ¥66,000,000、Indirect Cost: ¥19,800,000); Fiscal Year 2026: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); 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。
昨年度までに開発したラットの意思決定課題（2肢選択課題）を用いて、行動課題実行中の神経活動を記録した。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、これを解析している。
また、ニューロピクセル電極を用いて神経活動を記録する際、電極の刺入部位を特定するのに切片を作って特定することの労力が大きいため、簡易的なライトシート顕微鏡を用いて、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を行った。
また、意思決定課題の訓練過程での行動変容を調べるために、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つづけている。
A01井上班との共同研究により皮質視床投射を解析したほか、大脳皮質などの脳スライスでの解析も行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

昨年度までに開発したラットの意思決定課題（2肢選択課題）を用いて、行動課題実行中に、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、これを解析したため。
また、ニューロピクセル電極を用いて神経活動を記録する際、電極の刺入部位を特定するのに切片を作って特定することの労力が大きいため、簡易的なライトシート顕微鏡を用いて、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を行ったため。
また、意思決定課題の訓練過程での行動変容を調べるために、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つづけているため。
そのほか、A01井上との共同研究を行い形態学的解析を続けいている他、脳スライス実験も順調に進めているため。

Strategy for Future Research Activity

ラット意思決定課題（2肢選択課題あるいはその拡張）実行中の神経活動を記録したデータ、特に、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ったデータが取得されているため、データのクオリティコントロールを行い、行動課題と合わせて解析する。
行動課題の解析においては、従来からとられてきた課題上の簡単な変数以外に、体動や顔面表出との関連に着目して神経活動の解析を行う。このために複数カメラの設置や同期などを行い、上記課題実行中の高次元行動変容データが取得されているため、これを神経活動と同時に解析を行う。
ニューロピクセル電極を用いて神経活動を記録する際、電極の刺入部位を特定するのに切片を作って特定することの労力が大きいため、簡易的なライトシート顕微鏡を用いて、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を続ける。特に透明化試薬の組成、浸漬時間、また電極の標識に使う物質などの検討を行う。
意思決定課題の訓練過程での行動変容を調べるためには慢性記録が望ましい。このための技術開発・導入もつづける。
２光子顕微鏡下での課題装置の開発を行い、２光子顕微鏡による大脳皮質観察とニューロピクセル電極による皮質下（大脳基底核）の神経活動の同時記録に挑戦する。
細胞構築の解析を行うことで、脳情報動態計測を促進するために、A01井上との共同研究を継続し、双方向性多重蛍光トレーシング法により、並列ループの広がりや重なりの検討を行う。さらに、大脳皮質・視床・線条体を中心とした脳スライス実験を行う。

Research Products

• [Journal Article] A multimodal dataset linking wide-field calcium imaging to behavior changes in mice during an operant lever-pull task (2025)
  • Author(s): Kondo Masashi、Sehara Keisuke、Harukuni Rie、Aoki Ryo、Sugimoto Shoya、Tanaka Yasuhiro R、Matsuzaki Masanori、Nakae Ken
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: 631599-631599
  • DOI: 10.1101/2025.02.03.631599
  • Open Access
• [Journal Article] All-optical presynaptic plasticity induction by photoactivated adenylyl cyclase targeted to axon terminals (2024)
  • Author(s): Nagase Masashi、Nagashima Takashi、Hamada Shun、Morishima Mieko、Tohyama Suguru、Arima-Yoshida Fumiko、Hiyoshi Kanae、Hirano Tomoha、Ohtsuka Toshihisa、Watabe Ayako M.
  • Journal Title: Cell Reports Methods Volume: 4 Issue: 4 Pages: 100740-100740
  • DOI: 10.1016/j.crmeth.2024.100740
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] 頭部固定下ラット用信頼度報告課題中における皮質および皮質下神経活動記録 (2025)
  • Author(s): 杉本翔哉、田中康裕
  • Organizer: APPW2025
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] EP1によるドパミン濃度調節で学んだmulti-disciplinary study (2025)
  • Author(s): 田中康裕
  • Organizer: 成宮研終了記念シンポジウム
• [Presentation] マウスの利き手スイッチを司る左右半球のアセチルコリン調節 (2025)
  • 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: APPW2025
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] げっ歯類におけるNeuropixels電極を用いた記録とデータ保管のワークフロー (2025)
  • Author(s): 田中康裕
  • Organizer: サル脳新技術研究会
  • Invited
• [Presentation] 多領野・多細胞記録によって神経活動と行動を理解する (2025)
  • Author(s): 田中康裕
  • Organizer: 筑波大学神経科学プログラム
  • Invited
• [Presentation] Development of a behavioral confidence reporting task for head-fixed rats (2024)
  • Author(s): Shoya Sugimoto, Yasuhiro R. Tanaka
  • Organizer: 行動変容第２回国際シンポジウム
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 半球間アセチルコリン制御による利き手のスイッチ (2024)
  • Author(s): 岡本和樹、田中康裕、加藤茂樹、小林和人、小池正人、日置寛之
  • Organizer: Neuro2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] BraiDyn-BC database: 行動変容と脳活動ダイナミクスを結ぶデータ共有プラットフォーム (2024)
  • Author(s): 近藤将史、春國梨恵、瀬原慧介、青木亮、藤井真登、田中康裕、松崎政紀、中江健
  • Organizer: Neuro2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 神経科学の視点からの「行動」 (2024)
  • Author(s): 杉本翔哉、田中康裕
  • Organizer: 日本行動分析学会 第42回年次大会
• [Presentation] 齧歯類でのメタ認知研究：頭部固定下での確信度報告課題 (2024)
  • Author(s): 田中康裕
  • Organizer: 第9回 脳と心の研究会
• [Presentation] 最近の生理学の手法：報酬系などでの実践例 (2024)
  • Author(s): 田中康裕
  • Organizer: 日本薬学会北海道支部 第4回若手シンポジウム「情動の動機づけとその背景」
  • Invited
• [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] Identification, Characterization, and Manipulation of Neuronal Ensembles (2024)
  • Author(s): Masakazu Agetsuma, Issei Sato, Yasuhiro R. Tanaka, Luis Carrillo-Reid
  • Total Pages: 276
  • Publisher: Humana New York, NY
  • ISBN: 9781071642078
• [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