行動設計時の海馬発火シークエンスの意義の解明

• Project/Area Number: 17J10777
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Neurophysiology / General neuroscience
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 井形 秀吉 東京大学, 薬学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000); Fiscal Year 2019: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2017: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 海馬 / 場所細胞 / Replay / Sharp-wave ripple / マルチユニット記録 / 学習 / 脳波 / 強化学習 / Experience replay / マルチユニット記録法

Outline of Annual Research Achievements

将来の行動と相関する海馬神経細胞の発火シークエンスの意義の解明のために、昨年度に引き続き、主にi)状況依存的な経路設計課題の設定、および海馬からの神経活動の記録、ii)自由行動下における海馬シャープウェーブリップル(Sharp-wave ripple)および海馬発火シークエンスの意義の検討のための、フィードバックシステムの開発を行った。
i)について、平成30年度までに改善した行動実験系において、ラット海馬CA1野から神経活動を記録し、100個以上の神経細胞の活動の同時記録に成功し、データ解析を行った。
ii)について、本研究では、特徴的な海馬Sharp-wave rippleを伴う発火シークエンスの意義を解明するために、自由行動下でフィードバックできるシステムを構築した。システムを最適化し、これまでより低いレイテンシでデジタル信号処理を行い、フィードバックすることが可能となった。このシステムを用いて、フィードバック実験を行った。
これらの実験・解析データをもとに、海馬の細胞は自身の場所だけでなく、行動課題の文脈の情報もコードしており、そのような細胞がより優先的にリプレイに組み込まれることを発見した。これは、海馬神経回路が学習課題の構造という抽象的な情報を抽出し表現することができることを示唆している。また学習中のリプレイは、そのような表現を用いて、これまでの経験からの予測と比較して学習に重要なエピソードを優先的に再生していることを見出した。

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

• [Journal Article] Prioritized experience replays on a hippocampal predictive map for learning (2020)
  • Author(s): Igata Hideyoshi、Ikegaya Yuji、Sasaki Takuya
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2020.03.23.002964
  • Open Access
• [Journal Article] The Pharmacological Assessment of GABAA Receptor Activation in Experimental Febrile Seizures in Mice (2019)
  • Author(s): Kasahara Yuka、Igata Hideyoshi、Sasaki Takuya、Ikegaya Yuji、Koyama Ryuta
  • Journal Title: eneuro Volume: 6 Issue: 1 Pages: 0429-18
  • DOI: 10.1523/eneuro.0429-18.2019
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Integration of goal-directed signals onto spatial maps of hippocampal place cells (2019)
  • Author(s): Aoki, Y., Igata, H., Ikegaya, Y., Sasaki, T.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Time-varying synchronous cell ensembles during consummatory periods correlate with variable numbers of place cell spikes (2018)
  • Author(s): Saichiro Yagi, Hideyoshi Igata, Yu Shikano, Yuki Aoki, Takuya Sasaki, Yuji Ikegaya
  • Journal Title: Hippocampus Volume: in press Issue: 7 Pages: 471-483
  • DOI: 10.1002/hipo.22846
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatial Representation of Hippocampal Place Cells in a T-Maze with an Aversive Stimulation (2017)
  • Author(s): Okada Sakura、Igata Hideyoshi、Sasaki Takuya、Ikegaya Yuji
  • Journal Title: Frontiers in Neural Circuits Volume: 11 Pages: 101-101
  • DOI: 10.3389/fncir.2017.00101
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 海馬における優先順位付けされた経験のリプレイ (2020)
  • Author(s): 井形秀吉、池谷裕二、佐々木拓哉
  • Organizer: 第93回日本薬理学会年会
• [Presentation] Prioritized experience replay for learning in the rat hippocampus (2019)
  • Author(s): Igata, H., Ikegaya, Y., Sasaki, T
  • Organizer: Society for Neuroscience 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Machine-learning based prediction of seizure-inducing adverse drug effects (2019)
  • Author(s): Gao, M., Igata, H., Takeuchi, A., Sato, K., Ikegaya ,Y.
  • Organizer: The 7th China-Japan Joint Meeting of Basic and Clinical Pharmacology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 海馬における優先順位付けされた経験のリプレイ (2019)
  • Author(s): 井形秀吉、池谷裕二、佐々木拓哉
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会
• [Presentation] 海馬場所細胞における空間の情報と目的地に関する情報の統合 (2019)
  • Author(s): 青木勇樹、井形秀吉、池谷裕二、佐々木拓哉
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会
• [Presentation] 海馬場所細胞の発火数の変動と神経同期発火パターンの解析 (2019)
  • Author(s): 八木佐一郎、井形秀吉、鹿野悠、青木勇樹、佐々木拓哉、池谷裕二
  • Organizer: 第19回東京大学生命科学シンポジウム
• [Presentation] Prioritized experience replay in rat hippocampus (2019)
  • Author(s): Igata, H., Ikegaya, Y., Sasaki, T.
  • Organizer: The 5th CiNet Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Changes in synchronous spike patterns of hippocampal neurons associated with learning of an optimal route in a spatial detour task (2018)
  • Author(s): Igata, H., Sasaki, T., Ikegaya Y.
  • Organizer: Society for Neuroscience 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Light-guided running behavior induces direction selective spikes of hippocampal neurons. (2018)
  • Author(s): Aoki, Y., Igata, H., Sasaki, T., Ikegaya, Y.
  • Organizer: The 18th World Congress of Basic and Clinical Pharmacology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spatial representation of hippocampal cells in response to aversive stimulus in a T-maze task. (2018)
  • Author(s): Okada, S., Igata, H., Sasaki, T., Ikegaya, Y.
  • Organizer: The 18th World Congress of Basic and Clinical Pharmacology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hippocampal neurons firing is variable across laps in a linear track task (2018)
  • Author(s): Yagi, S., Igata, H., Shikano, Y., Aoki, Y., Sasaki, T., Ikegaya, Y.
  • Organizer: The 18th World Congress of Basic and Clinical Pharmacology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 最適経路の学習に伴うラット海馬の神経同期活動パターンの変化 (2018)
  • Author(s): 井形秀吉、池谷裕二、佐々木拓哉
  • Organizer: 次世代脳プロジェクト冬のシンポジウム2018
• [Presentation] 直線経路課題における海馬場所細胞の発火変動の解析 (2018)
  • Author(s): 八木佐一郎、井形秀吉、鹿野悠、青木勇樹、佐々木拓哉、池谷裕二
  • Organizer: 第138回日本薬理学会関東部会(東京)
• [Presentation] 熱性けいれんフェノタイプに対するGABA受容体作用薬の影響 (2018)
  • Author(s): 笠原由佳、井形秀吉、佐々木拓哉、小山隆太、池谷裕二
  • Organizer: 第138回日本薬理学会関東部会(東京)
• [Presentation] ラットを用いた洞察的/試行錯誤的な学習を誘導する２つの行動課題 (2017)
  • Author(s): 井形秀吉、佐々木拓哉、池谷裕二
  • Organizer: 次世代脳プロジェクト冬のシンポジウム
• [Presentation] 経路設計課題におけるcue選択的な海馬神経活動パターンの解析 (2017)
  • Author(s): 井形秀吉、佐々木拓哉、池谷裕二
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] Time-varying reactivated cell ensembles predict place cell firing (2017)
  • Author(s): Yagi, S., Igata, H., Shikano, Y., Aoki, Y., Sasaki, T., Ikegaya, Y.
  • Organizer: Society for Neuroscience 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Aversive learning reorganizes ensemble representations of current and prospective locations by hippocampal neurons (2017)
  • Author(s): Okada, S., Igata, H., Sasaki, T., Ikegaya, Y.
  • Organizer: Society for Neuroscience 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Distinct hippocampal place codes for goal-directed behavior in a two-dimensional open field (2017)
  • Author(s): Aoki, Y., Igata, H., Sasaki, T., Ikegaya, Y.
  • Organizer: Society for Neuroscience 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neonatal GABA signalings modulate seizure phenotypes (2017)
  • Author(s): Kasahara, Y., Igata, H., Sasaki, T., Koyama, R., Ikegaya, Y.
  • Organizer: 第九回光操作研究会 (仙台)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Remapping of hippocampal place cells by an aversive location in a T-maze spatial task (2017)
  • Author(s): 岡田桜、井形秀吉、池谷裕二、佐々木拓哉
  • Organizer: 新学術領域「適応回路シフト」国際シンポジウム(東京)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 能動的に嫌悪刺激を乗り越える際の場所細胞の再配置 (2017)
  • Author(s): 岡田桜、井形秀吉、佐々木拓哉、池谷裕二
  • Organizer: 平成29年度生理研研究会「記憶研究会」記憶・学習の統合的理解に向けたアプローチ(愛知)
• [Presentation] 海馬場所細胞の目的地依存的な発火活動 (2017)
  • Author(s): 青木勇樹、井形秀吉、佐々木拓哉、池谷裕二
  • Organizer: 第26回海馬と高次機能学会(愛知)
• [Presentation] 海馬ニューロン群の同期活動はその後の場所細胞活動を予測する (2017)
  • Author(s): 八木佐一郎、井形秀吉、鹿野悠、青木勇樹、佐々木拓哉、池谷裕二
  • Organizer: 第26回海馬と高次機能学会(愛知)
• [Presentation] 海馬神経細胞群の活動パターンと場所細胞の活動の関係 (2017)
  • Author(s): 八木佐一郎、井形秀吉、鹿野悠、青木勇樹、佐々木拓哉、池谷裕二
  • Organizer: 生理研研究会2017認知神経科学の先端「意識の脳内メカニズム」(愛知)
• [Presentation] 能動的に嫌悪刺激を乗り越える行動時の海馬場所細胞の活動 (2017)
  • Author(s): 岡田桜、井形秀吉、佐々木拓哉、池谷裕二
  • Organizer: 次世代を担う創薬・医療薬理シンポジウム2017(京都)
• [Presentation] 接近-回避の葛藤における海馬神経活動の解析 (2017)
  • Author(s): 岡田桜、井形秀吉、佐々木拓哉、池谷裕二
  • Organizer: 生体機能と創薬シンポジウム2017(京都)
• [Presentation] 海馬ニューロン群の同期活動はその後の場所細胞活動を予測する (2017)
  • Author(s): 八木佐一郎、井形秀吉、鹿野悠、青木勇樹、佐々木拓哉、池谷裕二
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会(千葉)
• [Presentation] 目的指向型の行動による海馬場所細胞活動の変化 (2017)
  • Author(s): 青木勇樹、井形秀吉、佐々木拓哉、池谷裕二
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会(千葉)
• [Presentation] 接近-回避の葛藤による場所細胞の再配置 (2017)
  • Author(s): 岡田桜、井形秀吉、佐々木拓哉、池谷裕二
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会(千葉)