| Project/Area Number |
22K06438
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 46010:Neuroscience-general-related
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| Research Institution | National Institute for Physiological Sciences |
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Principal Investigator |
大塚 岳 生理学研究所, 脳機能計測・支援センター, 助教 (10390692)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | 運動野 / 学習 / 大脳皮質 / 錐体細胞 / 介在細胞 / 運動学習 / シナプス |
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| Outline of Research at the Start |
本研究課題は、M1-M2領野間のシナプス結合様式を明らかにし、さらに運動学習における領野間の活動制御機構を解明することを目的としている。チャネルロドプシンを領野に限局して錐体細胞サブタイプ特異的に発現させ、領野間の結合様式をスライス実験で明らかにする。さらに、回転カゴを用いたパタン学習をラットに行わせ、学習中の動物のM1やM2から慢性細胞外記録を行い、学習に関連した活動を検討する。また、特定の錐体細胞サブタイプからのシナプス伝達を光操作で阻害し、学習や局所電場電位への効果を解析することによって、M1-M2領野間結合における活動制御を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
大脳皮質は機能的に分化した様々な領野から構成されており、領野間で情報伝達・処理を行うことによって高次機能を発揮する。従って、皮質領野間の結合回路を明らかにし、領野間での神経活動の制御について機能と関連付けて解明することは重要である。
これまでに、運動野の局所回路構造に関する研究を行い、層内・層間で錐体細胞同士が投射先に依存してサブネットワークを形成していることを明らかにした。また、錐体細胞サブタイプと抑制性介在細胞間の結合回路も明らかにした。さらに、一次運動野（M1）では5層において運動学習時に特定の錐体細胞サブタイプと抑制性介在細胞であるFS（fast-spiking）細胞間の相互結合回路でオシレーションが発生し、学習形成に重要な役割を担っていることを示した。運動野は、M1と高次（二次）運動野（M2）から構成され、相互に軸索投射していることが知られている。M1‐M2領野間の結合では、互いの領野に投射する錐体細胞の皮質内分布や投射する皮質の層が異なり、相互に異なった制御様式をしていることもこれまでに示した。しかし、M2が運動学習の形成にどのように関与しているのか？また、学習形成を制御するM1のオシレーション活動は、M2からの入力によってどのように制御されているのかは知られていない。そこで本研究では、活動制御の基盤となるM1-M2領野間において細胞レベルのシナプス結合回路を明らかにし、運動学習におけるM1-M2領野間の活動制御機構を解明することを目的とした。本年度はM1‐M2領野間の結合について解析を引き続き行い、M2の錐体細胞サブタイプのM1への投射回路の運動学習への関与について解析した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和5年度は、M2からM1の投射様式についてラットの脳スライス標本を用いて解析した。子宮内電気穿孔法を異なる胎生期に適用し、Creに依存して発現するプラスミドを導入した。生後にCreを発現するAAVをM2に局所注入・感染させることで、M2の2/3層や5層の錐体細胞サブタイプに限局してチャネルロドプシン（ChR2）を発現させた。M1の5層細胞から記録を行い、ChR2を発現している神経終末への光刺激によって誘発されるシナプス応答を解析・比較した。その結果、M1の5層錐体細胞にはいずれの場合もシナプス入力が多く見られた。しかし、抑制性介在細胞へのシナプス入力ではM2の錐体細胞サブタイプ間で違いが見られた。主要な介在細胞であるFS細胞とnon-FS細胞間で結合様式が異なっていた。これらは、M2は錐体細胞サブタイプに依存して、M1に対して異なる抑制系を制御していることを示唆する。M2の運動学習への関与について、M2錐体細胞サブタイプ特異的にアーキロドプシンを発現させたラットに回転かごの足場バーのバー間隔のパタン学習を行わせた。学習中にM2錐体細胞サブタイプからM1へのシナプス入力を光操作によって選択的に抑制した結果、特定のM2錐体細胞サブタイプに依存して学習形成が阻害され、M2の特定の錐体細胞サブタイプが学習形成に重要な役割を担っていることがわかった。また、M2錐体細胞サブタイプの異なる抑制系の制御による生理学的意義を検討するために学習のアップデートについて解析を進めている。パタン学習後に異なるパタンを学習させる場合へのM2錐体細胞サブタイプの寄与について検討している。当初の計画に従っておおむね研究は進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和6年度は、学習のアップデートに関する解析を主に進める。パタン学習後に異なるパタンを学習させ、学習中にM2錐体細胞サブタイプ選択的にM1へのシナプス入力を抑制し、学習のアップデートへの影響を解析する。また、M1及びM2から慢性細胞外記録を行い、パタン学習における神経活動も引き続き解析する。運動学習に重要な役割を担うオシレーション活動への影響や、パタンの再学習時のM1/M2の神経活動のM2錐体細胞サブタイプの寄与について検討する。また、M1-M2領野間結合のスライス実験を用いた解析もさらに進める。
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