Study of neural circuitatory mechanisms underlying stuttering using songbirds

• Project/Area Number: 21K18265
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 51:Brain sciences and related fields
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 和多 和宏 北海道大学, 理学研究院, 教授 (70451408)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000); Fiscal Year 2024: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2023: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2022: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2021: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
• Keywords: 発話障害 / 動物モデル / 大脳基底核 / 時系列制御 / ドーパミン受容体 / 発声学習 / 鳴禽類ソングバード / 吃音 / シングルセル解析 / 発声学習行動

Outline of Research at the Start

これまでに独自に発見したソングバードの大脳基底核内のGABAergic細胞選択的除去によって、なぜ吃音様の「音素時系列配列の繰り返し異常」が起こるのか?、『大脳基底核の機能異常』によって、異常繰り返し発声パターンの生成につながる神経動作原理を明らかにする。そのために、次に示す「細胞・分子、回路システム、個体発達」レベルの発症起因要因を検証する3つの実験を組み合わせた研究を進めていく。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、鳴禽類ソングバードを動物モデルとして用い、発話コミュニケーション障害「吃音」の発症メカニズムを神経機能学的に解明することである。本研究では、吃音を「音素時系列配列の制御異常」が発症の一因と捉え、その原因が大脳基底核ループ経路における機能異常にあるとする『大脳基底核ループ経路異常』仮説を検証する。そのために、発声学習によって発声パターンを獲得する鳴禽類ソングバードを実験動物モデルとして用いた研究を進めている。これを踏まえ、2023年度において以下の研究を進めた。
アデノ随伴ウイルス（Adeno-associated virus: AAV）によるmiR30バックボーンにしたshRNAi法を導入し、ドーパミン受容体サブタイプ1（D1R）, サブタイプ2（D2R）特異的な遺伝子ノックダウンを可能にするコンストラクトを作製した。このD1R/D2R特異的なノックダウンを可能にするAAVを、発声学習臨界期を過ぎたzebra finch及びBengalese finch成鳥の大脳基底核内の歌神経核Area Xに発現誘導し、D1R及びD2Rの発現量の減少度合いノックダウンの程度・感染細胞数と発声パターンへの影響を検証する実験を開始した。その際、発声学習臨界期後で繰り返し音素を多く生成する個体とそうでない個体の２群に分け、異常繰り返し発声行動の誘発の違いが状況依存的（雌の存在下）に生じるのかも現在検証中である。
また、吃音が発声学習の過程で発症することを鑑みて、ソングバードの歌学習臨界期前に上記のAAVをArea Xにインジェクションし、D1R及びD2Rのノックダウン実験を開始した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初実施予定にしていたアデノ随伴ウイルス(AAV)を用いたソングバード大脳基底核歌神経核でのドーパミン受容体のサブタイプ特異的な遺伝子ノックダウン実験を概ね予定通り進めていくことができている。

Strategy for Future Research Activity

吃音が発声学習の過程で発症することを鑑みて、ソングバードの歌学習臨界期前に上記のD1R及びD2RノックダウンAAVをArea Xにインジェクションし、発声学習過程の発声パターンへの影響と成鳥時の雌の存在有無による状況依存的な発声パターン異常の誘発が惹起されるか検証を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Korea Brain Research Institute(韓国)
• [Int'l Joint Research] McGill University(カナダ)
• [Int'l Joint Research] Korean Brain Research Institute(韓国)
• [Journal Article] A predisposed motor bias shapes individuality in vocal learning (2024)
  • Author(s): Toji Noriyuki、Sawai Azusa、Wang Hongdi、Ji Yu、Sugioka Rintaro、Go Yasuhiro、Wada Kazuhiro
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 121 Issue: 3
  • DOI: 10.1073/pnas.2308837121
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dosage compensation of Z sex chromosome genes in avian fibroblast cells (2023)
  • Author(s): Deviatiiarov Ruslan、Nagai Hiroki、Ismagulov Galym、Stupina Anastasia、Wada Kazuhiro、Ide Shinji、Toji Noriyuki、Zhang Heng、Sukparangsi Woranop、Intarapat Sittipon、Gusev Oleg、Sheng Guojun
  • Journal Title: Genome Biology Volume: 24 Issue: 1 Pages: 213-213
  • DOI: 10.1186/s13059-023-03055-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nicotinic acetylcholine receptors in a songbird brain (2022)
  • Author(s): Asogwa Norman Chinweike、Toji Noriyuki、He Ziwei、Shao Chengru、Shibata Yukino、Tatsumoto Shoji、Ishikawa Hiroe、Go Yasuhiro、Wada Kazuhiro
  • Journal Title: Journal of Comparative Neurology Volume: in press Issue: 11 Pages: 1966-1991
  • DOI: 10.1002/cne.25314
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fetal blockade of nicotinic acetylcholine transmission causes autism-like impairment of biological motion preference in the neonatal chick (2022)
  • Author(s): Matsushima Toshiya、Miura Momoko、Patzke Nina、Toji Noriyuki、Wada Kazuhiro、Ogura Yukiko、Homma Koichi J、Sgado Paola、Vallortigara Giorgio
  • Journal Title: Cerebral Cortex Communications Volume: ー Issue: 4
  • DOI: 10.1093/texcom/tgac041
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phylogeny and mechanisms of shared hierarchical patterns in birdsong (2021)
  • Author(s): James Logan S.、Mori Chihiro、Wada Kazuhiro、Sakata Jon T.
  • Journal Title: Current Biology Volume: 31 Issue: 13 Pages: 2796
  • DOI: 10.1016/j.cub.2021.04.015
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Seasonal regulation of singing-driven gene expression associated with song plasticity in the canary, an open-ended vocal learner (2021)
  • Author(s): Hayase Shin、Shao Chengru、Kobayashi Masahiko、Mori Chihiro、Liu Wan-chun、Wada Kazuhiro
  • Journal Title: Molecular Brain Volume: 14 Issue: 1 Pages: 160-160
  • DOI: 10.1186/s13041-021-00869-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 生得的な運動バイアスによって形成される発声学習の個体差 (2023)
  • Author(s): 田路 矩之, 澤井 梓, Hongdi Wang, 郷 康広, 和多 和宏
  • Organizer: 日本神経科学大会 第46回大会
• [Presentation] A predisposed motor bias shapes individuality in vocal learning (2023)
  • Author(s): Ziheng Hu, Noriyuki Toji, Yasuko Tobari, Chihiro Mori, Shiomi Hakataya, Akari Furutani, Cheng-Te Yao, Yasuhiro Go, Kazuo Okanoya, Kazuhiro Wada
  • Organizer: Society for Neuroscience meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 鳴禽類における歌の種分化の神経分子メカニズム Neural molecular mechanisms of the song speciation in songbirds (2022)
  • Author(s): 田路 矩之、柴田ゆき野、辰本将司、石川 裕恵、郷 康広、和多 和宏
  • Organizer: 日本神経科学大会 第4５回大会
• [Presentation] 異種間ハイブリッドソングバードを用いた発声学習個体差の神経分子基盤 (2022)
  • Author(s): 柴田ゆき野、田路矩之、辰本将司、石川裕恵、郷康広、和多和宏
  • Organizer: 日本神経科学大会 第4５回大会
• [Presentation] ソングバードの音声発声学習において生得および学習属性を象徴する細胞タイプ特異的トランスクリプトームシグネチャー (2022)
  • Author(s): 田路 矩之、柴田ゆき野、辰本将司、石川 裕恵、郷 康広、和多 和宏
  • Organizer: 日本遺伝学会 第94回大会
  • Invited
• [Presentation] Novel enhanced learning ability elicited by interspecific hybridization of songbirds (2022)
  • Author(s): Y. Shibata, N. Toji, S. Tatsumoto, H. Ishikawa, Y. Go, K. Wada
  • Organizer: Society for Neuroscience meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transcriptomic signatures in glutamatergic projecting neurons reveal species-specific vocal learnability in songbirds (2022)
  • Author(s): N. Toji, Y. Shibata, S. Tatsumoto, H. Ishikawa, Y. Go, K. Wada
  • Organizer: Society for Neuroscience meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Heterosis in vocal learning traits in F1 hybrid songbirds (2021)
  • Author(s): 柴田ゆき野、和多和宏
  • Organizer: 日本神経科学大会 第44回大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 鳴禽類の歌行動進化の神経分子メカニズム Neural molecular mechanisms of song evolution in songbirds (2021)
  • Author(s): 田路 矩之、柴田 ゆき野、 辰本 荘司、 石川 裕恵、 郷 康広、 和多 和宏
  • Organizer: 日本動物学会 第92回大会
  • Invited
• [Presentation] Yukino Shibata*, Noriyuki Toji, Yasuhiro Go, Syoji Tatsumoto, Hiroe Ishikawa, Kazuhiro Wada (2021)
  • Author(s): Heterosis and individual difference in syllable learning abilities in F1 hybrid songbird
  • Organizer: 日本比較生理化学会 オンライン札幌大会
• [Presentation] Noriyuki Toji*, Yukino Shibata, Shoji Tatsumoto, Hiroe Ishikawa, Yasuhiro Go, Kazuhiro Wada (2021)
  • Author(s): Neural molecular mechanisms of the evolution of species-specific song in songbirds
  • Organizer: 日本比較生理化学会 オンライン札幌大会