運動学習に伴うラット脳マクロ構造変化の生物学的基盤の解明

• Project/Area Number: 15K21652
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Brain biometrics; Cognitive science
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research (2016-2018); National Center of Neurology and Psychiatry (2015)
• Principal Investigator: 堀 祐樹 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 研究員 (60635887)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2017: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2016: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2015: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: オペラント学習 / VBM / 学習 / ラット / PET / MRI / Voxel based morphometry

Outline of Annual Research Achievements

様々な技能や知識を新しく学習、獲得することは脳の重要な役割の一つであり、そのため脳には、技能や知識を獲得すべく変化する働き、すなわち「神経可塑性」が備わっている。そして、学習に伴い、組織学的手法による細胞レベルでの変化やMRIによる脳構造変化が生じることが明らかにされているが、脳マクロ構造と細胞レベルでの変化を同時に評価した報告はほとんどなく、脳マクロ構造変化の生物学的基盤は不明である。本研究では、ラットを対象に、オペラントレバー引き運動課題を学習させ、MRIを用いることで学習により可塑的変化が生じている領域を明らかにし、それら領域において組織学手法を用いることで、脳構造変化の生物学的背景を明らかにする。本研究ではまず、げっ歯類用オペラントレバー引き学習パラダイムを用いて、音刺激とレバー引きの連合学習によりどの領域に体積変化が生じるかを特定した。20匹の雄性ロングエバンスラットを対象に実験を行った。Kimuraらが開発したげっ歯類用オペラントレバー引き学習装置を用いて、音刺激とレバー引きの連合学習を3日間訓練した(3hours/day)。その日の最大の音刺激に対するレバー引き率(Maximum correct response rate: MCRR)を学習の程度を示す指標とした。また3日間の学習前後のMRIを撮像し、テンプレートへの標準化等の前処理を行った後、学習に伴い脳体積変化が生じている部位を特定した。3日間の訓練により、すべてのラットは最大OCRRが85%以上を示しており音刺激に対するレバー引き運動学習が成立したと考えられる。また3日間の学習により小脳において有意な体積変化が確認された。当該領域での、学習に伴い変化する細胞を特定するため、蛍光染色による定量評価を行うための基盤整備を行った。今後コントロール群と学習群においてどのような違いがあるかを検討する必要がある。

Research Products

• [Journal Article] Development of a removable head fixation device for longitudinal behavioral and imaging studies in rats. (2016)
  • Author(s): Hori Y, Ogura J, Ihara N, Higashi T, Tashiro T, Honda M, Hanakawa T.
  • Journal Title: J Neurosci Methods Volume: 264 Pages: 11-15
  • DOI: 10.1016/j.jneumeth.2016.02.014
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Noninvasive quantification of cerebral metabolic rate for glucose in rats using (18)F-FDG PET and standard input function. (2015)
  • Author(s): Hori Y, Ihara N, Teramoto N, Kunimi M, Honda M, Kato K, Hanakawa T
  • Journal Title: J Cereb Blood Flow Metab Volume: 35 Issue: 10 Pages: 1664-1670
  • DOI: 10.1038/jcbfm.2015.104
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 巧緻運動中のラット脳内グルコース代謝変化 (2016)
  • Author(s): 堀祐樹、伊原尚樹、小倉淳、舟坂誠、本田学、加藤孝一、花川隆
  • Organizer: 第56回日本核医学会学術総会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(愛知県・名古屋)
  • Year and Date: 2016-11-05
• [Presentation] Evaluation of the change of CMRGlc in rats performing skilled forelimb movement (2016)
  • Author(s): Yuki Hori, Naoki Ihara, Jun Ogura, Makoto Funasaka, Manabu Honda, Koichi Kato, Takashi Hanakawa
  • Organizer: The 5th memorial Integrative Brain Imaging Center International Symposium
  • Place of Presentation: National Center of Neurology and Psychiatry (Tokyo・Kodaira)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] オペラント学習に伴うラット局所脳グルコース代謝変化 (2015)
  • Author(s): 堀祐樹、伊原尚樹、本田学、磯村宜和、花川隆
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場
  • Year and Date: 2015-07-28
• [Patent(Industrial Property Rights)] 実験動物用頭部固定具及び実験動物撮影用頭部固定装置 (2016)
  • Inventor(s): 花川隆、堀祐樹、伊原尚樹、小倉淳
  • Industrial Property Rights Holder: 花川隆、堀祐樹、伊原尚樹、小倉淳
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2016-01-29