Role of cerebro-cerebellar interactions in adaptive behavioral control

• Project/Area Number: 21H04810
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 51:Brain sciences and related fields
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 田中 真樹 北海道大学, 医学研究院, 教授 (90301887)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥41,340,000 (Direct Cost: ¥31,800,000、Indirect Cost: ¥9,540,000); Fiscal Year 2023: ¥13,130,000 (Direct Cost: ¥10,100,000、Indirect Cost: ¥3,030,000); Fiscal Year 2022: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000); Fiscal Year 2021: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
• Keywords: 行動戦略 / エラー / 大脳小脳連関 / 小脳歯状核 / 補足眼野 / LFP / 眼球運動 / 非ヒト霊長類 / エラー検出 / 学習機構 / エラー信号 / 霊長類 / 適応制御

Outline of Research at the Start

普段、難しい作業をするときは「落ち着いてゆっくりやる」ことで乗り切ろうとする。最近の研究によって、行動上の失敗を予測または検出し、行動戦略を切り替えて維持することに小脳－大脳経路が関与する可能性が示唆されている。本研究では、サルの行動解析、小脳および大脳前頭葉からの神経活動記録、同部の電気および光刺激などを組み合わせてこれを検証する。小脳による高次脳機能制御のメカニズムを具体的なニューロン活動と神経回路のレベルで明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

「慎重を要する状況における行動の制御に外側小脳と前頭葉皮質の機能連関が関与する」との作業仮説を検証するために研究を行った。標的と反対方向に眼球運動を行うアンチサッカード課題をサルに訓練し、次の試行で標的に向かうプロサッカードの潜時が延長することを行動抑制の指標として実験を行うことを計画した。

令和5年度までに、当初計画を上回る様々な知見が得られた。その大きな理由は、行動課題を変更したことにある。ルールを事前に提示する従来の課題では、反応時間を遅らせて正解率を向上させる戦略をとることが多く、解析対象となるエラー試行が少ない上、次試行での反応時間の延長がしばしば認められないという問題があった。このため、固視点ではなく標的の色でルールを提示し、さらにプロサッカードに時間制限を設けた。小脳歯状核ニューロンの一部がアンチサッカード課題で運動方向を誤った直後に活動を変化させるとともに、プロサッカードの反応時間によって活動を段階的に変化させることを前年度までに見出していたが、今年度は複数個体からのデータを蓄積することでこの現象を確実にすることができた。また、当初計画に無かった補足眼野の局所場電位(LFP)の層別解析と小脳核の単発電気刺激を組み合わせることで、運動直後に認められるエラー関連成分は小脳核から入力を受ける層で強いことを見出している。ただし、これまで用いていた多点電極の極間距離が大きいため、今後はさらに空間解像度を上げて検討する必要がある。

また、同様の眼球運動課題の最中に、前試行の種類によって大脳や線条体の脳波律動が変化すること、大脳の電気刺激による線条体の応答もこれに伴って変化することを当研究室の別の研究課題で発見している。令和6年度からは基盤Sとしてこれらを統合した研究を行い、大脳小脳連関によるエラー検出機構と、その後の慎重な行動制御への皮質線条体経路の関与を明らかにする。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Sensory and motor representations of internalized rhythms in the cerebellum and basal ganglia (2023)
  • Author(s): Kameda Masashi、Niikawa Koichiro、Uematsu Akiko、Tanaka Masaki
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 120 Issue: 24
  • DOI: 10.1073/pnas.2221641120
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nicotine promotes the utility of short-term memory during visual search in macaque monkeys (2022)
  • Author(s): Sawagashira Ryo、Tanaka Masaki
  • Journal Title: Psychopharmacology Volume: 239 Issue: 9 Pages: 3019-3029
  • DOI: 10.1007/s00213-022-06186-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Neural signals regulating motor synchronization in the primate deep cerebellar nuclei (2022)
  • Author(s): Okada Ken-ichi、Takeya Ryuji、Tanaka Masaki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 2504-2504
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30246-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of GABAergic and glutamatergic inputs on temporal prediction signals in the primate cerebellar nucleus. (2022)
  • Author(s): Uematsu, A. & Tanaka, M.
  • Journal Title: Neuroscience Volume: 482 Pages: 161-171
  • DOI: 10.1016/j.neuroscience.2021.11.047
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 小脳歯状核でのエラー確率の符号化と内側前頭葉への投射 (2024)
  • Author(s): 安部 楓、岡田研一、田中真樹
  • Organizer: 日本小脳学会第14回学術集会
• [Presentation] Two different subcortical signals for timing of self-initiated saccades (2023)
  • Author(s): Tanaka, M.
  • Organizer: Gordon Research Conference on Eye Movements
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] リズム感覚 (2023)
  • Author(s): Tanaka, M.
  • Organizer: 時間言語フォーラム [特別企画] 生成される時間
  • Invited
• [Presentation] 時間知覚の神経機構 (2023)
  • Author(s): Tanaka, M.
  • Organizer: 第46回 日本神経科学大会（教育講演）
  • Invited
• [Presentation] Self-timingにおける大脳基底核と小脳の役割 (2023)
  • Author(s): Tanaka, M.
  • Organizer: 第37回 日本大脳基底核研究会（JBAGS 2023）シンポジウムI 脳の中の基底核
  • Invited
• [Presentation] 小脳と大脳基底核におけるリズム処理の階層性 (2023)
  • Author(s): Tanaka, M.
  • Organizer: 北海道大学脳科学研究教育センター設立20周年シンポジウム
• [Presentation] リズム知覚と小脳 (2023)
  • Author(s): Tanaka, M.
  • Organizer: 第53回日本臨床神経生理学会学術大会
  • Invited
• [Presentation] Role of the cerebellum in rhythm processing (2023)
  • Author(s): Tanaka, M.
  • Organizer: WPI-ASHBi seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Rapid changes in cortico-striatal signal transmission during adaptive behavior in monkeys. (2023)
  • Author(s): Okada K-I & Tanaka M.
  • Organizer: Gordon Research Conference on Eye Movements
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 聴覚オドボール課題中にみられた視覚誘発電位の周期的変化 (2023)
  • Author(s): 杉尾凌虎、岡田研一、田中真樹
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] 小脳は行動エラーに関連した信号を内側前頭葉に送る (2023)
  • Author(s): 安部 楓、岡田研一、田中真樹
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] リズミカルな視覚刺激の時間予測に関わる小脳プルキンエ細胞の活動 (2023)
  • Author(s): LiLi、岡田研一、田中真樹
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] 皮質－線条体経路の信号伝達はサルの適応行動に伴い柔軟に変化する (2023)
  • Author(s): 岡田研一、田中真樹
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] Involvement of cerebellar Purkinje cells in the generation of internalized rhythms. (2023)
  • Author(s): LiLi、岡田研一、田中真樹
  • Organizer: 第103回生理学会北海道地方会
• [Presentation] 適応行動に伴い柔軟に変化する大脳皮質－線条体経路の信号伝達 (2023)
  • Author(s): 岡田研一、田中真樹
  • Organizer: 第103回生理学会北海道地方会
• [Presentation] Prefrontal neuronal signals related to extinction of short-term memory during oculomotor n-back task in monkeys. (2023)
  • Author(s): Sawagashira R & Tanaka M
  • Organizer: 第45回日本生物学的精神医学会
• [Presentation] Cerebellar Purkinje cell activity during temporal prediction of rhythmic visual stimulus. (2023)
  • Author(s): LiLi, Okada K-I & Tanaka M.
  • Organizer: Soc Neurosci Abstr. Washington DC.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rhythm processing in the cerebellum and basal ganglia (2023)
  • Author(s): Masaki Tanaka
  • Organizer: 2023 Sharif Neuroscience Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 小脳による行動モニタリング (2023)
  • Author(s): 田中真樹
  • Organizer: 令和4年度システム神経科学研究会
• [Presentation] サルの適応行動に伴う皮質－線条体経路の信号伝達の素早い変化. (2023)
  • Author(s): 岡田研一、田中真樹
  • Organizer: 第100回日本生理学会大会
• [Presentation] 行動上のエラー検出における小脳と内側前頭葉の機能連関. (2023)
  • Author(s): 安部楓、岡田研一、田中真樹
  • Organizer: 第100回日本生理学会大会
• [Presentation] Rhythm processing in the cerebellum and basal ganglia (2022)
  • Author(s): Masaki Tanaka
  • Organizer: 第52回生理研国際シンポジウム
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Sensory and motor representations of internalized rhythms in subcortical brain regions (2022)
  • Author(s): Masaki Tanaka
  • Organizer: 第1回時間生成学国際シンポジウム
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neural representation of internalized rhythms in the cerebellum and basal ganglia (2022)
  • Author(s): Masaki Tanaka
  • Organizer: JANUBET Symposium 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Role of the cerebellum in rhythm processing (2022)
  • Author(s): Masaki Tanaka
  • Organizer: Johns Hopkins Cerebellum Seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 行動モニタリングと適応制御における大脳小脳連関の役割 (2022)
  • Author(s): 安部楓、岡田研一、田中真樹
  • Organizer: 日本生理学会北海道地方会
• [Presentation] Rule of cerebro-cerebellar interaction in error monitoring and adaptive control. (2022)
  • Author(s): Abe K, Okada K-I & Tanaka M.
  • Organizer: JANUBET Symposium 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Functional linkage between medial frontal cortex and cerebellum in behavioral error detection (2022)
  • Author(s): Abe K, Okada K-I & Tanaka M.
  • Organizer: International Symposium on Chronogenesis 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 小脳と大脳基底核におけるリズム処理の階層性 (2022)
  • Author(s): 田中真樹
  • Organizer: 令和３年度 京大霊長研共同利用研究会
  • Invited
• [Presentation] 運動タイミングの制御機構 (2021)
  • Author(s): 田中真樹
  • Organizer: 山梨大学脳科学セミナー
  • Invited
• [Presentation] 小脳と線条体における時間予測活動の感覚運動成分の分離 (2021)
  • Author(s): 亀田将史、田中真樹
  • Organizer: 日本生理学会北海道地方会
• [Book] Temporal information processing in the cerebellum and basal ganglia. In: Neurobiology of Interval Timing (2nd Edition)（in press） (2024)
  • Author(s): Tanaka, M., Kameda, M. & Okada, K.I.
  • Total Pages: 284
  • Publisher: Springer-Nature
• [Book] 時間知覚と予測の神経機構 『脳神経内科』第100巻第6号 （印刷中） (2024)
  • Author(s): 田中真樹、岡田研一、亀田将史
  • Total Pages: 104
  • Publisher: 科学評論社
• [Book] 視覚探索における注意と記憶 Brain & Nerve 76巻6号特集「注意と注意障害」（印刷中） (2024)
  • Author(s): 澤頭 亮、田中真樹
  • Total Pages: 100
  • Publisher: 医学書院
• [Book] 同期運動とリズム知覚の神経機構 Clinical Neuroscience 41 (2023)
  • Author(s): 田中真樹、岡田研一、亀田将史
  • Total Pages: 128
  • Publisher: 中外医学
• [Book] カンデル神経科学第２版 第35章「視線の制御」 (2022)
  • Author(s): 田中真樹（邦訳）
  • Total Pages: 12
  • Publisher: メディカル・サイエンス・インターナショナル
  • ISBN: 4815730555
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://niseiri.med.hokudai.ac.jp/
• [Remarks] 本研究と関連の深い小脳研究の解説記事
  • URL: https://www.brh.co.jp/publication/journal/111/research01