| Project/Area Number |
21K19803
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 61:Human informatics and related fields
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| Research Institution | Kyoto Sangyo University |
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Principal Investigator |
伊藤 浩之 京都産業大学, 情報理工学部, 教授 (80201929)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | 視覚皮質 / 多細胞活動 / サポートベクターマシン / ブレインマシンインタフェース / ニューロンオペラントコンディショニング / 深層学習 / 蛍光顕微鏡 / 同期活動 / 発火数相関 / デコーディング / 多細胞活動記録 / ブレイン・マシン・インタフェース |
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| Outline of Research at the Start |
本研究の目的は、視覚皮質から記録する細胞間の同期活動強度に応じて報酬を与えるニューロンオペラントコンディショニング実験により、機能とは独立して同期活動の増強を行い、条件付け前後における視覚バインディング課題の正答率の上昇を調べることで、同期活動とバインディング機能との因果関係を直接的に検証することである。
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| Outline of Annual Research Achievements |
２匹のネコに赤外線カメラによる視線計測を行い、方位マッチング課題の訓練を継続した。モニター中央の注視点の凝視中に上下に提示される格子パターンの方向が同じ場合は右に、異なる場合は左にサッケードを行うことで報酬が得られる。１匹は正答率８０％程度に訓練が進んだが、眼球に前房出血を生じ、視覚障害を起こしたため訓練を中止した。別の１匹の頭骨にヘッドポストチェンバーを固定し、訓練を開始したが先のネコに比べて学習が遅いため、研究期間内での訓練の完成は難しいと判断し、同時期に多くの個体の訓練が可能なマウスを用いた実験に変更して、課題研究を進めることになった。６極の電極点を持つECoG電極を自作し、マウスの視覚皮質表面上に固定して、局所脳波を計測した。麻酔下のマウスの眼前のモニターに白い長方形刺激を上、中、下のいずれかの位置に提示し、無刺激も含めた４種類の刺激下での局所脳波を複数試行に渡り記録した。深層学習を用いて局所脳波の時空間活動データから提示されている刺激の弁別を行い、有意な弁別能力を確認した。この成果は日本神経科学会で口頭発表を行った。ECoG電極は脳組織の損傷が少ない低侵襲性の記録方法のため、長期間に渡り安定に神経活動が記録できることが分かった。この方法は覚醒下マウスでのニューロンオペラントコンディショニング実験に適用できる。細胞レベルの活動記録では、より侵襲性が低い蛍光顕微鏡による光計測が有効であるため、蛍光顕微鏡と高精度カメラを導入し、ウィルスベクターを用いた蛍光タンパクの遺伝子導入実験の準備を開始した。マウスの視覚皮質への蛍光タンパクの遺伝子導入を行い、細胞活動の光計測を行っていく。また、視覚刺激提示下でのネコの視覚皮質で同時記録された複数の細胞活動の単一試行データから、提示された刺激の方向を判別する情報復号化の研究はすでに完成したため、成果の論文作成を継続した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初の研究計画で予定していたネコ視覚皮質を対象とするニューロンオペラントコンディショニング実験は、方位マッチング課題を行うための視線計測および訓練システムを構築し、２年間に渡り訓練を継続して来たが、８０％程度の正答率まで訓練が進んだ個体が眼の前房出血のため視覚障害を生じたため、訓練の中断を余儀なくされた。そこで、研究期間内で当初の研究目標を達成するために、同時期に複数の個体の訓練が可能であるマウスを用いた実験に変更を行った。マウスを用いた試験的な実験の結果、tetrodeなどの電極の脳内への刺入記録では脳組織の損傷が避けられず、ニューロンオペラントコンディショニング実験の遂行に不可欠である長期に渡る安定した細胞活動記録が難しいことが判明した。このため、脳組織の損傷が少なく侵襲性の低いECoG電極による細胞活動記録を試行し、数週間に渡り安定して細胞活動記録が可能であることを確認した。多チャンネルECoG電極を自作し、麻酔下マウスの視覚皮質から局所脳波の時空間活動記録を数週間に渡り継続し、時空間活動データから提示された視覚刺激位置の復号化が長期間に渡って可能であることを検証した。ECoG電極による細胞活動記録が局所脳波を用いたニューロンオペラントコンディショニング実験に有効であることが確認できた。また、ECoG電極では個々の細胞活動は記録出来ないため、細胞レベルの活動記録が可能となる蛍光タンパクを用いた光計測システムの導入を進めた。ミクロな蛍光ビーズを蛍光顕微鏡とカメラで撮影し、蛍光部分の境界(ROI)を自動的に切り出すことが可能であることを確認した。今後はマウス皮質細胞をAAVウィルス感染させることで蛍光タンパクを遺伝子導入し、細胞活動の蛍光強度計測を行い、研究課題であるニューロンオペラントコンディショニング実験を進める計画である。
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| Strategy for Future Research Activity |
ネコを用いた方位マッチング課題は訓練がほぼ完成した個体が前房出血による眼の障害を生じたために中止を余儀なくされた。研究目標であるニューロンオペラントコンディショニング実験は、より多くの個体での訓練が可能であるマウスを対象に切り替えていく計画である。マウスに関しては神経細胞をウィルスベクター感染させることで、蛍光タンパクの遺伝子導入が可能であるため蛍光顕微鏡による細胞活動の光計測が可能である。ECoG電極を用いたマウス視覚皮質からの局所脳波の時空間活動記録は侵襲性が低く、ある程度の長期間に渡って安定して記録が行えることを確認したので、この記録方法を用いてニューロンオペラントコンディショニング実験を行っていく計画である。機械学習を用いた局所脳波の時空間活動からの刺激弁別は数匹のマウスのデータ解析を完了し、一貫した結果が得られているので、学会発表と並行して学術論文の発表を予定する。より侵襲性の低い記録方法である蛍光タンパクの遺伝子導入による細胞活動の光計測はブレインマシンインタフェースおよびニューロンオペラントコンディショニングにおいて最も有効な技術であると考えるため、最終年度に実験システムを完成させ、準備的な細胞活動記録を行い、今後の研究の発展に活かしていく計画である。ネコ視覚皮質から記録した多細胞データのサポートベクターマシンを適用した情報デコーディングの研究はすでに完成しているので、最終年度内での学術論文の発表を計画している。
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