Calcium imaging and optogenetic manipulation of cortical network activity underlying adaptive behavior of common marmosets

• Project/Area Number: 20H03546
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 51010:Basic brain sciences-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Ebina Teppei 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 講師 (30611206)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2021: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2020: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: コモンマーモセット / カルシウムイメージング / 大脳皮質運動野 / 学習 / 前肢運動 / 光遺伝学 / マーモセット

Outline of Research at the Start

平坦な道を歩いている時とゆるやかな坂道を上っている時、私たちは同じ様に足を踏み出し、歩き続けることができる。常に変化し続ける環境の中で同じ様に運動するためには、環境の情報や運動の結果をもとに次の動作を修正し続ける必要がある。本研究ではこのような「運動適応」に必要であると考えられている脳領域間の情報フローをカルシウムイメージングと光遺伝学を用いて霊長類の大脳皮質で計測し、環境に応じた運動実行のための神経活動がどのように形成されているのかを明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

We conducted wide-field one-photon and high-resolution two-photon calcium imaging in premotor (PMdc) and primary motor (M1) cortices of common marmosets while they learned a two-target reaching (pull/push) task. Throughout learning, PMdc switched its preferred movement direction, whereas M1 neurons stably retained it. This result suggests that the motor representation changes in PMdc would be required for the learning of a sensorimotor association learning.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

マーモセットは日本が世界に先駆けて遺伝子改変動物の作成に成功している霊長類で、様々な精神神経疾患のモデル動物が開発されている。脳の機能はその機能に関連する脳領域が協調的に活動する事によって実現される。そのため神経活動の乱れ、あるいは欠落は脳機能の低下を招き、時には精神神経疾患の原因にもなる。本研究では健常脳や病態脳機能の基盤となる脳領域間ネットワークの動態を可視化し解析するための方法論を提供する。したがって本研究が遂行される事でマーモセットを利用した方法論が確立されれば、精神神経疾患における脳機能破綻のメカニズム解明に向けた新しい霊長類研究の流れを生み出す事ができると考えている。

Research Products

• [Journal Article] Tb3+-doped fluorescent glass for biology (2021)
  • Author(s): Okamoto Kazuki、Ebina Teppei、Fujii Naoki、Konishi Kuniaki、Sato Yu、Kashima Tetsuhiko、Nakano Risako、Hioki Hiroyuki、Takeuchi Haruki、Yumoto Junji、Matsuzaki Masanori、Ikegaya Yuji
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Issue: 2 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1126/sciadv.abd2529
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural dynamics and stability of corticocortical and thalamocortical axon terminals during motor learning (2020)
  • Author(s): Hasegawa Ryota、Ebina Teppei、Tanaka Yasuhiro R.、Kobayashi Kenta、Matsuzaki Masanori
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 15 Issue: 6 Pages: e0234930-e0234930
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0234930
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Common marmoset as a model primate for study of the motor control system (2020)
  • Author(s): Matsuzaki Masanori、Ebina Teppei
  • Journal Title: Current Opinion in Neurobiology Volume: 64 Pages: 103-110
  • DOI: 10.1016/j.conb.2020.02.013
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Two-photon calcium imaging in the motor cortex of non-human primates during movement tasks (2020)
  • Author(s): Masamizu, Y., Ebina, T., and Matsuzaki, M.
  • Organizer: The 9th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer