frontal and subcortical coordination underlying multitasking behavior

• Project/Area Number: 19H03337
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 46030:Function of nervous system-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 虫明 元 東北大学, 医学系研究科, 教授 (80219849)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2020: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2019: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
• Keywords: マルチタスク / 前頭葉 / 多点計測 / 前頭運動野 / 前頭前野 / 細胞活動 / 抑制系 / 運動前野 / シータ波 / ベータ波

Outline of Research at the Start

本研究では「マルチタスクの柔軟性を支える前頭葉ネットワークの仕組みを細胞レベルで解明すること」を目標にして、マルチタスクで必要となる主な機能として①任意に選ばれた行動課題を展望記憶として符号化して記憶　②背景課題中、展望記憶は維持　③背景課題中に展望課題の条件が出現したら展望課題に切り替える。これらの認知機能に関わる皮質間ネットワーク、皮質―皮質下（基底核と海馬）のネットワークに着目してこれらマルチタスクのメカニズムを解明する。多点計測、イメージングとして、回路の光操作により解明する。

Outline of Annual Research Achievements

当研究課題では　脳が柔軟に複数の課題に対処できるための前頭葉と関連分野の働きを解明することである。複数の視覚刺激と運動を結びつけて学習し、行動中のサルの前頭前野、内側、外側、運動野内側と外側から多点計測を行い比較検討した。
前頭前野の脳波の解析から、腹側と背側がどのような側面で区別されるかを検討した。その結果、腹側ではサンプル期間の変形形状が遅延期間のシータ波とデルタ波に強く影響し、背側では腕の操作割り当てがガンマ成分に影響することがわかった。これらの結果は、領域および周波数選択的なLFP変調が、前頭前野において異なる行動関連情報を動的に動員することに関与していることを示唆した。
また背側運動野と前補足運動野の比較では両領域のニューロンの活動が反応的符号化から予測的符号化に移行することが示された。特に、記憶誘導型試行では、PMd細胞の活動は、最初の動き（1M）に関係なく、一般に報酬につながるシーケンスの2番目の動き（2M）を優先的に表現していた。一方、pre-SMAの細胞は、スイッチングまたは非スイッチング動作を順番に協調させることで、特定の動作順序を符号化していた。
また後部内側前頭前野と前補足運動野との比較においては、後部内側前頭前野は戦術、視空間情報、行動、またはそれらの組み合わせに対して選択的な活動を示した。驚くべきことに、戦術選択的なニューロンの82%は、特定のタスクで選択的な活動を示し、両方では示さなかった。このようなタスクに特化した神経細胞表現は、行動選択性ニューロンの72%に現れた。また、視空間情報を表現するニューロンの95%は、あるタスクにおいてのみそのような活動を示し、ただし前補足運動野では　選択性はそれほど高くなく機能的示唆が判明した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

複数課題における、前頭葉の内外の比較、前後比較などを通して、様々な機能差が明らか位になりつつ有る。前頭前野内側、外側、運動前野、前補足運動野など、広範な領域に関して、予想以上の所見が得られつつある。複数の振動系と課題、領域との選択的な関連性、更には単一細胞レベルでの機能的差異に関しても、所見が集まりつつ有る。動的な情報表現や振動表現には、脳の情報処理の原理として、課題特有の拘束条件を如何に有限の細胞要素の組み合わせで表現するかという符号化の原理に関して示唆的な所見と言える。今後神経の符号化原理を解明する基盤とも言える成果として論文として、まとめられたので計画以上の進展と判断できる。

Strategy for Future Research Activity

今年の予備的な成果を、きちんと複数のサルで検証していく必要がある。サルは主課題に戻るときにエラーが多いことが本当にコンフリクトと解釈して妥当か、
サルを用いた行動解析、電気生理と　関連してげっ歯類での抑制細胞に関しての知見を今後統合していくことを計画している。
マルチタスクと前頭葉の複数の領域の関係に関して、課題間のコンフリクトが起こりやすいのか、この関係を系統的に解析することも検討している。複数の課題の行動が記憶のレベルで拮抗するということが、どのように脳の活動として反映されるのかを、ベータ波、シータ波、ガンマ波などの振動に関連して解明を進めることと、これらの振動の背景にある神経機構を調べていく。
また抑制系の役割は、光遺伝学的な操作方法をげっ歯類で確立しつつ、霊長類での実験に役立てるようになったが、十分ではない。今後も光操作の手法を霊長類で応用していくことを検討する。割り込みに関してはシータ波が前頭葉で重要な役割があることが判明してきており、大脳皮質と海馬の関連性が示唆されて、ネットワークとしては、どのような領域がこの振動を共有しているのか解明することが大切となる。複数領域の脳振動の同期性に着目することが手がかりを与えてくれる可能性があるので、この点を解明する予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Faculty of Medicine/University of Ottawa(カナダ)
• [Int'l Joint Research] オタワ大学(カナダ)
• [Journal Article] Non-overlapping sets of neurons encode behavioral response determinants across different tasks in the posterior medial prefrontal cortex (2023)
  • Author(s): Muhammad Ali Haider Awan, Hajime Mushiake, Yoshiya Matsuzaka
  • Journal Title: Frontiers in Systems Neuroscience Volume: 2 Pages: 1-12
• [Journal Article] Neurophysiological Perspective on Allostasis and Homeostasis: Dynamic Adaptation in Viable Systems (2022)
  • Author(s): Mushiake Hajime、Department of System Neuroscience, Graduate School of Medicine, Tohoku University 2-1 Seiryo-machi, Aoba-ku, Sendai, Miyagi 980-8575, Japan
  • Journal Title: Journal of Robotics and Mechatronics Volume: 34 Issue: 4 Pages: 710-717
  • DOI: 10.20965/jrm.2022.p0710
  • ISSN: 0915-3942, 1883-8049
  • Year and Date: 2022-08-20
• [Journal Article] Shape and Rule Information Is Reflected in Different Local Field Potential Frequencies and Different Areas of the Primate Lateral Prefrontal Cortex (2022)
  • Author(s): Sakamoto Kazuhiro、Kawaguchi Norihiko、Mushiake Hajime
  • Journal Title: Frontiers in Behavioral Neuroscience Volume: 16 Pages: 750832-750832
  • DOI: 10.3389/fnbeh.2022.750832
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reinforcement Learning Model With Dynamic State Space Tested on Target Search Tasks for Monkeys: Extension to Learning Task Events (2022)
  • Author(s): Sakamoto Kazuhiro、Yamada Hinata、Kawaguchi Norihiko、Furusawa Yoshito、Saito Naohiro、Mushiake Hajime
  • Journal Title: Frontiers in Computational Neuroscience Volume: 16 Pages: 784604-784604
  • DOI: 10.3389/fncom.2022.784604
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Complementary Roles of Primate Dorsal Premotor and Pre-Supplementary Motor Areas to the Control of Motor Sequences (2022)
  • Author(s): Nakajima Toshi, Hosaka Ryosuke, Mushiake Hajime
  • Journal Title: The Journal of Neuroscience Volume: 42 Issue: 36 Pages: 6946-6965
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2356-21.2022
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Heterogeneous GAD65 Expression in Subtypes of GABAergic Neurons Across Layers of the Cerebral Cortex and Hippocampus (2021)
  • Author(s): Kajita Yuki、Mushiake Hajime
  • Journal Title: Frontiers in Behavioral Neuroscience Volume: 15 Pages: 1-14
  • DOI: 10.3389/fnbeh.2021.750869
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Non-additive activity modulation during a decision making task involving tactic selection (2021)
  • Author(s): Braun Wilhelm、Matsuzaka Yoshiya、Mushiake Hajime、Northoff Georg、Longtin Andre
  • Journal Title: Cognitive Neurodynamics Volume: 16 Issue: 1 Pages: 117-133
  • DOI: 10.1007/s11571-021-09702-0
• [Journal Article] Optical manipulation of local cerebral blood flow in the deep brain of freely moving mice (2021)
  • Author(s): Abe Yoshifumi、Kwon Soojin、Oishi Mitsuhiro、Unekawa Miyuki、Takata Norio、Seki Fumiko、Koyama Ryuta、Abe Manabu、Sakimura Kenji、Masamoto Kazuto、Tomita Yutaka、Okano Hideyuki、Mushiake Hajime、Tanaka Kenji F.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 36 Issue: 4 Pages: 109427-109427
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109427
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multimodal Functional Analysis Platform: 4. Optogenetics-Induced Oscillatory Activation to Explore Neural Circuits (2021)
  • Author(s): Mushiake Hajime、Ohshiro Tomokazu、Osawa Shin-ichiro、Hosaka Ryosuke、Katayama Norihiro、Tanaka Tetsu、Yawo Hiromu、Osanai Makoto
  • Journal Title: Adv Exp Med Biol. Volume: 1293 Pages: 501-509
  • DOI: 10.1007/978-981-15-8763-4_34
  • ISBN: 9789811587627, 9789811587634
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Neuronal Representations of Tactic-Based Sensorimotor Transformations in the Primate Medial Prefrontal, Presupplementary, and Supplementary Motor Areas: A Comparative Study (2020)
  • Author(s): Awan-MAH, Mushiake-H and Matsuzaka Y
  • Journal Title: Frontiers in Systems Neurscience Volume: 14 Pages: 536246-536246
  • DOI: 10.3389/fnsys.2020.536246
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Forelimb movements evoked by optogenetic stimulation of the macaque motor cortex (2020)
  • Author(s): Watanabe H, Sano H, Chiken S, Kobayashi K, Fukata Y, Fukata M, Mushiake H, Nambu A
  • Journal Title: Nat Commun Volume: 11 Issue: 1 Pages: 3253-3253
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16883-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Differences in task-phase-dependent time-frequency patterns of local field potentials in the dorsal and ventral regions of the monkey lateral prefrontal cortex (2020)
  • Author(s): Sakamoto Kazuhiro、Kawaguchi Norihiko、Mushiake Hajime
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: S0168 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1016/j.neures.2019.12.016
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Why context matters? Divisive normalization and canonical microcircuits in psychiatric disorders. (2019)
  • Author(s): Northoff G, Mushiake H
  • Journal Title: Neuroscience research Volume: 19 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1016/j.neures.2019.10.002
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamic axis-tuned cells in the monkey lateral prefrontal cortex during a path-planning task. (2019)
  • Author(s): Sakamoto K, Saito N, Yoshida S, Mushiake H
  • Journal Title: The Journal of neuroscience Volume: 1 Issue: 1 Pages: 203-219
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2526-18.2019
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optogenetic study of the response interaction among multi-afferent inputs in the barrel cortex of rats. (2019)
  • Author(s): Liu Y, Ohshiro T, Sakuragi S, Koizumi K, Mushiake H, Ishizuka T, Yawo H.
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 9 Issue: 1 Pages: 3917-3917
  • DOI: 10.1038/s41598-019-40688-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 波状に伝播する脳血管運動を生み出す神経メカニズム (2023)
  • Author(s): 大城 朝一, 虫明元
  • Organizer: 第１００回日本生理学会
• [Presentation] メレオロジカル神経生理学 (2023)
  • Author(s): 小山内 実, 虫明 元
  • Organizer: 第１００回日本生理学会
• [Presentation] サルの腹側運動前野における演算細胞 (2023)
  • Author(s): 奥山 澄人, 虫明 元
  • Organizer: 第１００回日本生理学会
• [Presentation] Decision uniqueness and experience saturation define the appropriateness of state expansion: comparison between dynamic state space reinforcement learning model and Dirichlet models (2022)
  • Author(s): Kazuhiro Sakamoto, Tokio Katakura, Hajime Mushiake
  • Organizer: 第４５回日本神経科学会
• [Presentation] Change in behavioral context alters the population of neurons representing the behavioral information in primate medial prefrontal cortex (2022)
  • Author(s): Muhammad Ali Haider Awan, Hajime Mushiake, Yoshiya Matsuzaka
  • Organizer: 第４５回日本神経科学会
• [Presentation] Event related phase-amplitude coupling and inter-trial phase coherence in ECoG at the frontal eye field and premotor cortex (2022)
  • Author(s): Sosuke Harigae, Hidenori Watanabe, Hajime Mushiake, Masashi Aoki
  • Organizer: 第４５回日本神経科学会
• [Presentation] A Reinforcement Learning Model with Dynamic State Space Reproduces Functional Differentiation of the Higher Motor Cortices (2022)
  • Author(s): Naoki Masamune Tamura, Hajime Mushiake, Kazuhiro Sakamoto
  • Organizer: 第４５回日本神経科学会
• [Presentation] Phase modulations of the β oscillation by optogenetic activations in the monkey primary motor cortex coupled with visual stimulus (2022)
  • Author(s): Hidenori Watanabe, Kazutaka Takahashi, Kobayashi Kobayashi, Nicholas G, Hatsopoulos, Hajime Mushiake
  • Organizer: 第４５回日本神経科学会
• [Presentation] Task-dependent neural representation of behavioral factors in primate medial prefrontal cortex. (2022)
  • Author(s): Awan Muhammad Ali Haider, Hajime Mushiake, Yoshiya Matsuzaka
  • Organizer: 日本生理学会
• [Presentation] 3D microelectrode array with optical stimulation for modulating neural network dynamics in the monkey motor cortex during a reaching task (2022)
  • Author(s): Hidenori Watanabe, Kazutaka Takahashi, Kenta Kobayashi, Nicholas G. Hatsopoulos, Hajime Mushiake
  • Organizer: 第９９回日本生理学会
• [Presentation] The increase of GAD65 expression by PTZ stimulations occurs specifically in SOM-positive interneurons (2022)
  • Author(s): Yuki Kajita, Yuki Fukuda, Riho Kawamatsu, Takanori Oyanagi, Hajime Mushiake
  • Organizer: 第９９回日本生理学会
• [Presentation] Role of Medial Areas in Tactics-selectivity. (2021)
  • Author(s): Awan Muhammad Ali Haider, Hajime Mushiake, Yoshiya Matsuzaka
  • Organizer: ENCODS 2021,UK (Online)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Role of medial prefrontal areas in sensorimotor transformation (2021)
  • Author(s): Awan Muhammad Ali Haider, Hajime Mushiake, Yoshiya Matsuzaka
  • Organizer: 日本神経科学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comparison of prefrontal and premotor areas for behavioral factors in two-choice arm reaching task (2021)
  • Author(s): Awan Muhammad Ali Haider, Hajime Mushiake, Yoshiya Matsuzaka
  • Organizer: Society for Neuroscience 2021,Chicago (Online) 8-11 Nov 2021 2021年11月11日
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 部分と全体学で中枢神経系の構造-機能連関の解明に挑む (2021)
  • Author(s): 小山内実, 虫明元
  • Organizer: 第９８回日本生理学会 2021年3月28日
• [Presentation] 前頭葉における行動制御 (2020)
  • Author(s): 虫明 元
  • Organizer: 第30回日本神経回路学会全国大会 2020年12月2日
  • Invited
• [Presentation] 前頭前野の軸符号化細胞の活動はシーケンスカテゴリーによっても変調される (2019)
  • Author(s): 坂本一寛, 齊藤尚弘, 吉田隼, 虫明 元
  • Organizer: 東北生理談話会
• [Presentation] グルタミン酸デカルボキシラーゼGAD67遺伝子を欠損したラットの神経学的解析 (2019)
  • Author(s): 劉 冬雨, 大城朝一, 虫明 元
  • Organizer: 東北生理談話会
• [Presentation] てんかんモデルラットにおけるGABA合成酵素の発現量の変化 (2019)
  • Author(s): 福田湧希, 大柳貴紀, 川村里穂, 阿部聡太, 梶田裕貴, 虫明 元
  • Organizer: 東北生理談話会
• [Presentation] Sensorimotor integration for cued reaching movements through multiple bands of cortical oscillations from the motor and somatosensory cortices (2019)
  • Author(s): K. TAKAHASHI, H. WATANABE, M. MAKITANI, H. MUSHIAKE
  • Organizer: SFN2019
• [Presentation] Three dimensional dynamics of β oscillation phase in the monkey motor cortex during a reaching task (2019)
  • Author(s): H. WATANABE, K. TAKAHASHI, H. MUSHIAKE
  • Organizer: SFN2019
• [Presentation] Neural substrate underlying the selection of behavioral tactics to transform sensory information into action: A comparative study of primate medial frontal areas (2019)
  • Author(s): M. H. AWAN, H. MUSHIAKE, Y. MATSUZAKA
  • Organizer: SFN2019
• [Presentation] ヒスタミンとCGRPによる脳血流循環の制御とinfra-slow oscillation リズムとの関係 (2019)
  • Author(s): 大城 朝一, 虫明
  • Organizer: 第４２回日本神経科学会 新潟
• [Presentation] 正常及び癲癇原性獲得後の海馬介在神経細胞サブタイプ間におけるGAD65の発現 (2019)
  • Author(s): 梶田 裕貴, 福田, 湧希, 大柳, 貴紀, 虫明 元
  • Organizer: 第４２回日本神経科学会 新潟
• [Presentation] 経路探索課題遂行中のサル前頭前野の軸符号化細胞の発見 (2019)
  • Author(s): 坂本 一寛, 斎藤, 尚宏, 吉田, 隼 虫明 元
  • Organizer: 第４２回日本神経科学会 新潟
• [Presentation] オプトジェネティクスによる脳血管壁細胞の操作は、局所脳血流変動を引き起こす (2019)
  • Author(s): 權 秀珍, 阿部, 欣史, 虫明, 元, 田中 謙二
  • Organizer: 第４２回日本神経科学会 新潟
• [Presentation] 多様なコミュニケーションを支える 脳のネットワークと人のネットワーク (2019)
  • Author(s): 虫明 元
  • Organizer: 認知症三昧！山口塾2019
• [Book] カンデル神経科学 (2022)
  • Author(s): カンデル 翻訳（第34章 随意運動：運動野 虫明元）
  • Total Pages: 1704
  • Publisher: メディカル・サイエンス・インターナショナル
  • ISBN: 4815730555
• [Book] マウス・ラットモデル作製・解析プロフェッショナル (2021)
  • Author(s): 先端モデル動物支援プラットフォーム（AdAMS）
  • Total Pages: 320
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758121125
• [Book] 前頭葉のしくみ (2019)
  • Author(s): 虫明 元、市川 眞澄
  • Total Pages: 274
  • Publisher: 共立出版
  • ISBN: 4320057988
• [Remarks] 東北大学大学院医学系研究科 生体システム生理学
  • URL: http://www.neurophysiology.med.tohoku.ac.jp/
• [Remarks] 東北大学 生体システム生理学
  • URL: http://www.neurophysiology.med.tohoku.ac.jp/
• [Remarks] 東北大学 生体システム生理学分野
  • URL: http://www.neurophysiology.med.tohoku.ac.jp/