小脳機能ゾーンの生理学的意義の解明

• Project/Area Number: 22H00460
• 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: University of Yamanashi
• Principal Investigator: 喜多村 和郎 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (60423159)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山崎 匡 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (40392162)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000); Fiscal Year 2025: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000); Fiscal Year 2024: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2023: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2022: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000)
• Keywords: 運動 / プルキンエ細胞 / ２光子イメージング / ニューラルネットワーク / 2光子イメージング

Outline of Research at the Start

柔軟かつ正確な行動発現とその獲得には、小脳のはたらきが不可欠である。小脳には、生理学的および解剖学的に同定される「ゾーン」と呼ばれる構造があり、その機能を知ることが行動発現の理解するために重要である。本研究では、認知運動課題遂行中のマウス小脳細胞活動を調べ、動物の行動に関する多種多様な情報が各ゾーンでどのように表現されているのかを明らかにする。さらに学習過程での変化を捉えることで、運動学習における小脳ゾーン構造の役割を明らかにする。これらにより、小脳の多様な機能を包括的に理解するための全く新しいモデルを確立する。

Outline of Annual Research Achievements

登上線維活動が表現する行動パラメーターの符号化モデルによる解析を進めた。レバー引きタスクにおける5つの行動変数（レバー位置、レバー引き速度、レバー戻し速度、リック、報酬）を説明変数として、2光子カルシウムイメージングにより計測された個々のプルキンエ細胞の登上線維応答を説明するモデルを作成し、登上線維応答をよく説明することができた。応答パターンで細胞を分類したところ、８つの特徴的な型（クラスタ）に分類されることがわかった。個々のプルキンエ細胞の登上線維応答は1つの行動変数ではなく、複数の行動変数、特に、レバー引きとリック、レバー引きと報酬など異なるモダリティの情報を含んでいることが明らかとなった。登上線維は運動学習のための教師信号のみならず、多様な行動パラメーターを伝えていることが明らかとなり、複雑な行動の組み合わせを単一プルキンエ細胞内で学習していると考えられる。また、それぞれのクラスタに属する細胞は近傍に位置することが明らかとなり、小脳の機能単位であるマイクロゾーンと対応していると考えられた。これらの結果を、Communications Biology誌に発表した。また、実験により得られた登上線維応答パターンを小脳スパイキングネットワークモデルに導入し、データ同化シミュレーションを行った。登上線維刺激によって引き起こされるシナプス可塑性により、プルキンエ細胞の発火パターンが変化し、レバー引きの予測軌道に相当する神経活動が獲得されることを確認した。これは小脳内で順モデルが形成されるという従来のコンセンサスと一致している。
２mm四方の範囲の広視野を観察可能な対物レンズを新たに導入し、背側の小脳虫部あるいは小脳半球の大部分のプルキンエ細胞活動を同時に観察可能であることを確認した。今後、複数のアルドラーゼC帯とプルキンエ細胞活動の関係を明らかにしていく予定である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

計画通りに実験及びシミュレーションを進めている。修正に時間がかかっていた論文が発表された。

Strategy for Future Research Activity

概ね順調に進展しているため、次年度も計画通りに進める。

Research Products

• [Journal Article] Optogenetic stimulation of neurons in the anterior cingulate cortex induces changes in intravesical bladder pressure and the micturition reflex (2024)
  • Author(s): Mochizuki Takanori、Manita Satoshi、Shimura Hiroshi、Kira Satoru、Sawada Norifumi、Bito Haruhiko、Sakimura Kenji、Augustine George J.、Mitsui Takahiko、Takeda Masayuki、Kitamura Kazuo
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 14 Issue: 1 Pages: 6367-6367
  • DOI: 10.1038/s41598-024-56806-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cerebellar climbing fibers multiplex movement and reward signals during a voluntary movement task in mice (2023)
  • Author(s): Ikezoe Koji、Hidaka Naoki、Manita Satoshi、Murakami Masayoshi、Tsutsumi Shinichiro、Isomura Yoshikazu、Kano Masanobu、Kitamura Kazuo
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 6 Issue: 1 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1038/s42003-023-05309-9
  • URL: https://localhost/en/publications/80fcfdb8-5803-4e88-b2ac-91f61201e7bf
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic organization of cerebellar climbing fiber response and synchrony in multiple functional components reduces dimensions for reinforcement learning (2023)
  • Author(s): Huu Hoang, Shinichiro Tsutsumi, Masanori Matsuzaki, Masanobu Kano, Mitsuo Kawato, Kazuo Kitamura, Keisuke Toyama
  • Journal Title: eLife Volume: 12 Pages: 1-28
  • DOI: 10.7554/elife.86340
  • URL: https://localhost/en/publications/3b321932-7b92-48fa-89a1-3b828fb3af96
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Novel Device of Reaching, Grasping, and Retrieving Task for Head-Fixed Mice. Front Neural Circuit (2022)
  • Author(s): Manita, S., Ikezoe, K., and Kitamura, K.
  • Journal Title: Frontiers in Neural Circuits Volume: 16 Pages: 842748-842748
  • DOI: 10.3389/fncir.2022.842748
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In Vivo Wide-Field and Two-Photon Calcium Imaging from a Mouse using a Large Cranial Window (2022)
  • Author(s): Manita S, Shigetomi E, Bito H, Koizumi S, Kitamura K
  • Journal Title: Journal of Visualized Experiments Volume: 186 Issue: 186 Pages: 186-186
  • DOI: 10.3791/64224
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Modular Organization of Climbing Fiber Signals During Behavior (2023)
  • Author(s): Kazuo Kitamura
  • Organizer: Gorodon Research Conference Cerebellum
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of cranial windows that allow wide-field and two-photon calcium imaging from the same mouse (2023)
  • Author(s): Satoshi Manita, Eiji Shigetomi, Haruhiko Bito, Schuichi Koizumi, Kazuo Kitamura
  • Organizer: The 46th Annual Meeting of Japan Neuroscience Society
• [Presentation] Negative reward-prediction errors of climbing fiber inputs for cerebellar reinforcement learning algorithm (2023)
  • Author(s): Hoang Thien Huu, Shinichiro Tsutsumi, Masanori Matsuzaki, Masanobu Kano, Keisuke Toyama, Kazuo Kitamura, Mitsuo Kawato
  • Organizer: The 46th Annual Meeting of Japan Neuroscience Society
• [Presentation] Deciphering population coding in calcium and cAMP in vivo (2023)
  • Author(s): Tatsushi Yokoyama, Satoshi Manita, Hiroyuki Uwamori, Mio Tajiri, Itaru Imayoshi, Sho Yagishita, Masanori Murayama, Kazuo Kitamura, Masayuki Sakamoto
  • Organizer: The 46th Annual Meeting of Japan Neuroscience Society
• [Presentation] Spatial organization of climbing fiber inputs conveying different types of error signals to the cerebellar cortex (2023)
  • Author(s): Masayoshi Murakami, Tomoki Ishimaru, Keisuke Kameda, Kazuo Kitamura
  • Organizer: The 46th Annual Meeting of Japan Neuroscience Society
• [Presentation] Cerebellar climbing fibers jointly encode movement and reward signals during a voluntary forelimb movement task (2023)
  • Author(s): Ikezoe Koji、Hidaka Naoki、Manita Satoshi、Murakami Masayoshi、Tsutsumi Shinichiro、Isomura Yoshikazu、Kano Masanobu、Kitamura Kazuo
  • Organizer: Neuroscience 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The application of a large cranial window for wide-field and two-photon calcium imaging from the same mouse (2023)
  • Author(s): Satoshi Manita, Eiji Shigetomi, Haruhiko Bito, Schuichi Koizumi, Kazuo Kitamura
  • Organizer: Neuroscience 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel cranial window for in vivo calcium imaging (2023)
  • Author(s): Satoshi Manita, Shigetomi Eiji, Haruhiko Bito, Schuichi Koizumi, Kazuo Kitamura
  • Organizer: The 100th Anniversary Annual Meeting of The Physiological Society of Japan
• [Presentation] Establishment of a behavioral task to study neural mechanisms of behavioral (2023)
  • Author(s): Masayoshi Murakami, Tomoki Ishimaru, Keisuke Kameda, Kazuo Kitamura
  • Organizer: The 100th Anniversary Annual Meeting of The Physiological Society of Japan
• [Presentation] Cerebellar Purkinje cells encode behavioral information of multiplex modalities with their complex spikes and form functional modules (2023)
  • Author(s): Koji Ikezoe, Naoki Hidaka, Satoshi Manita, Masayoshi Murakami, Shinichiro Tsutsumi, Yoshikazu Isomura, Masanobu Kano, Kazuo Kitamura
  • Organizer: The 100th Anniversary Annual Meeting of The Physiological Society of Japan
• [Presentation] Establishment of a behavioral task to study neural mechanisms of various types of prediction error driven behavioral adaptations (2022)
  • Author(s): Masayoshi Murakami, Tomoki Ishimaru, Kazuo Kitamura
  • Organizer: NEURO2022/ The 45th Annual Meeting of the Japan
• [Presentation] Bidirectional associated changes in synchronization and climbing fiber responses of cerebellar Purkinje-cell dependent on compartments along with auditory discrimination go/no-go learning (2022)
  • Author(s): Hoang Thien Huu, Shinichiro Tsutsumi, Mitsuo Kawato, Kazuo Kitamura, Keisuke Toyama
  • Organizer: NEURO2022/ The 45th Annual Meeting of the Japan
• [Presentation] A new reaching, grasping, and retrieving task device for mice under head fixation (2022)
  • Author(s): Satoshi Manita, Koji Ikezoe, Kazuo Kitamura
  • Organizer: NEURO2022/ The 45th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [Presentation] Voltage imaging of simple spikes from Purkinje cells in acute cerebellar slice (2022)
  • Author(s): Eikichi Hashida, Satoshi Manita, Kazuo Kitamura
  • Organizer: NEURO2022/ The 45th Annual Meeting of the Japan