運動学習に内在する大脳皮質運動野神経回路と可塑的変化の形態－機能連関

• Project/Area Number: 17J04137
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Nerve anatomy/Neuropathology
• Research Institution: National Institute for Physiological Sciences
• Principal Investigator: 孫 在隣 生理学研究所, 基盤神経科学研究領域 大脳神経回路論研究部門, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 大脳皮質運動野 / 運動学習 / シナプス可塑性 / 光学・電子顕微鏡相関解析 / ATUM-SEM法 / 運動野 / 学習 / 錐体細胞 / 光学顕微鏡 / 電子顕微鏡

Outline of Annual Research Achievements

動物は生後、学習を通じて外的環境に順応する。我々は、自転車の運転技術獲得などを通じ、学習早期には注意深い試行錯誤を繰り返し、徐々に運動が自動化・無意識化していくことを日常で経験している。運動学習中にみられる一連の動作の最適化・効率化は、中枢神経系での神経回路の可塑的変化の結果であると考えられる。我々は大脳皮質運動野第5層錐体細胞に着目し、それが受ける興奮性入力を形態学的に観察・定量化した。錐体細胞の樹状突起には棘突起（スパイン）が存在し、主に一つの興奮性シナプスを形成することが知られている。第5層錐体細胞に蛍光蛋白質を発現する遺伝子改変マウスを用い、生体2光子顕微鏡観察を行うと、スパインを視認することが可能である。このマウスを用い、前肢を用いた運動学習課題を与え、その成功率を評価すると同時に2光子顕微鏡下でスパイン動態を観察した。これにより、運動学習に伴って多くの新生スパインが観察された。スパインが受ける興奮性入力源を定めるため、2光子顕微鏡観察したマウスの固定脳薄切標本を作成し、さらに4重免疫組織化学を施した。このpost hoc免疫組織化学により、新生スパインへのシナプス入力前軸索終末が、皮質錐体細胞由来か視床細胞由来かを弁別することが可能となった。この手法により、運動学習の経過とそれによる新規の興奮性シナプス結合の出現との相関を観察したところ、皮質入力を受けるスパインと視床入力を受けるスパインとでは、i) 学習早期での新生頻度　ii) 新生後の長期残存率　が大きく異なることがわかった。このことは、皮質－皮質間連絡と視床－皮質投射結合とが運動学習において異なる役割を果たしていることを示唆する結果であった。さらに電子顕微鏡を使った微細構造の解析や化学遺伝学的検証を加え、現在論文投稿準備中である。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Charite Universitatsmedizin Berlin/Humboldt University of Berlin(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Max-Planck Institute for Brain Research/Max-Planck Institute of Neurobiology/ZEISS Microscopy Customer Center Europe(Germany)
• [Journal Article] Ipsi- and contralateral corticocortical projection-dependent subcircuits in layer 2 of the rat frontal cortex (2019)
  • Author(s): Ueta Yoshifumi、Sohn Jaerin、Agahari Fransiscus Adrian、Im Sanghun、Hirai Yasuharu、Miyata Mariko、Kawaguchi Yasuo
  • Journal Title: Journal of Neurophysiology Volume: 122 Issue: 4 Pages: 1461-1472
  • DOI: 10.1152/jn.00333.2019
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preferential inputs from cholecystokinin-positive neurons to the somatic compartment of parvalbumin-expressing neurons in the mouse primary somatosensory cortex (2018)
  • Author(s): Hioki Hiroyuki、Sohn Jaerin、Nakamura Hisashi、Okamoto Shinichiro、Hwang Jungwon、Ishida Yoko、Takahashi Megumu、Kameda Hiroshi
  • Journal Title: Brain Research Volume: 1695 Pages: 18-30
  • DOI: 10.1016/j.brainres.2018.05.029
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large Volume Electron Microscopy and Neural Microcircuit Analysis (2018)
  • Author(s): Kubota Yoshiyuki、Sohn Jaerin、Kawaguchi Yasuo
  • Journal Title: Frontiers in Neural Circuits Volume: 12 Pages: 98-98
  • DOI: 10.3389/fncir.2018.00098
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A carbon nanotube tape for serial-section electron microscopy of brain ultrastructure (2018)
  • Author(s): Kubota Y, Sohn J, Hatada S, Schurr M, StraehleJ, Gour A, Neujahr R, MikiT, Mikula S, Kawaguchi Y
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 9 Issue: 1 Pages: 437-437
  • DOI: 10.1038/s41467-017-02768-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Application of tissue-clearing methods for dissecting brain structure (2017)
  • Author(s): 日置寛之、濱裕、孫在隣、黄晶媛、並木香奈、星田哲志、黒川裕、宮脇敦史
  • Journal Title: Folia Pharmacologica Japonica Volume: 149 Issue: 4 Pages: 173-179
  • DOI: 10.1254/fpj.149.173
  • NAID: 130005548847
  • ISSN: 0015-5691, 1347-8397
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Thalamo-cortical synaptic network in motor cortex analyzed with large volume electron microscopy. (2020)
  • Author(s): Kubota Y, Sohn J, Kuramoto E, Kawaguchi Y.
  • Organizer: The Eighth International Neural Microcircuit Conference-Synaptic Specificity to Circuit Dynamics-
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Input-dependent spine dynamics in motor cortex during motor learning. (2020)
  • Author(s): Sohn J, Youssef M, Hatada S, Kawaguchi Y, Kubota Y.
  • Organizer: The Eighth International Neural Microcircuit Conference-Synaptic Specificity to Circuit Dynamics-
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thalamo-cortical synaptic network in motor cortex analyzed with large volume electron microscopy. (2020)
  • Author(s): Kubota Y, Sohn J, Kuramoto E, Kawaguchi Y.
  • Organizer: ABiS Symposium Forefront and Future of Electron Microscopic Imaging
• [Presentation] Network plastic changes in the primary motor cortex as the basis of a new motor skill acquisition. (2020)
  • Author(s): Kubota Y, Sohn J, Suzuki M, Hatada S, Youssef M, Larkum ME, Kawaguchi Y.
  • Organizer: 2020 Gordon Research Conference, Thamamocortiacl Interactions
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 皮質－皮質間連絡・視床－皮質投射の入力依存的な運動学習時回路動態. (2020)
  • Author(s): 孫在隣、窪田芳之、川口泰雄
  • Organizer: 第125回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Presentation] Thalamo-cortical synaptic network in motor cortex analyzed with large volume electron microscopy. (2019)
  • Author(s): Kubota Y, Sohn J, Kuramoto E, Kawaguchi Y.
  • Organizer: 2019 Gordon Research Conference, Dendrites: Molecules, Structure and Function
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Corticocortical and thalamocortical remodeling in the cortical microcircuit during motor learning. (2019)
  • Author(s): Sohn J, Kubota Y, Kawaguchi Y.
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Circuit remodeling in the motor cortex during motor learning. (2019)
  • Author(s): Sohn J, Kubota Y, Kawaguchi Y.
  • Organizer: 49th annual meeting of the Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thalamo-cortical synaptic network in motor cortex analyzed with large volume electron microscopy. (2019)
  • Author(s): Kubota Y, Sohn J, Kuramoto E, Kawaguchi Y.
  • Organizer: 49th annual meeting of the Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Network plastic changes in the primary motor cortex as the basis of a new motor skill acquisition. (2019)
  • Author(s): Sohn J, Kubota Y, Kawaguchi Y.
  • Organizer: The 9th Okazaki-Tuebingen-Beijing Joint Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thalamo-cortical target analysis in cortical motor cortex using large volume electron microscopy (2019)
  • Author(s): Kubota Y, Sohn J, Kuramoto E, Kawaguchi Y
  • Organizer: 第124回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Presentation] Large volume electron microscopy and neural microcircuitanalysis (2019)
  • Author(s): Kubota Y, Sohn J, Kawaguchi Y
  • Organizer: 9th FAOPS
• [Presentation] A carbon nanotube tape for serial-section electron microscopy of brain ultrastructure (2018)
  • Author(s): Kubota Y, Sohn J, Kawaguchi Y
  • Organizer: 第8回名古屋大学医学系研究科・生理学研究所合同シンポジウム
• [Presentation] ATUMtome 用の新開発テープと高解像画像用組織処理法 (2017)
  • Author(s): 窪田芳之、孫在隣、畑田小百合、川口泰雄
  • Organizer: 第73回日本顕微鏡学会学術集会シンポジウム
• [Presentation] A novel tape for ATUMtome and high resolution electron microscopy (2017)
  • Author(s): Kubota Y, Sohn J, Hatada S, Kawaguchi Y
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] A conductive novel tape material and a new staining protocol for volume electron microscopy applications (2017)
  • Author(s): Kubota Y, Sohn J, Hatada S, Schurr M, Straehle J, Gour AG, Neujahr R, Mikula S, Kawaguchi Y
  • Organizer: 47th Annual meeting of the Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research