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大脳皮質-線条体経路特異的な光遺伝学的操作による適応行動の神経機序の解明

Research Project

Project/Area Number 22K06485
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 46030:Function of nervous system-related
Research InstitutionHiroshima University

Principal Investigator

半田 高史  広島大学, 医系科学研究科(医), 助教 (40567335)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords適応行動 / 皮質ー線条体経路 / テンソル分解 / 光遺伝学 / マウス / 神経活動
Outline of Research at the Start

本研究の概要は、行動した結果(報酬や罰)をもとに次の行動を選択する場面における大脳皮質-基底核回路の脳領域間を結ぶ神経経路の役割を明らかにするために、この回路を構成する大脳皮質(二次運動野と前頭眼窩野)と基底核の線条体のニューロン集団の神経活動パタン(“神経軌道”)が動物の行動成績に応じて相関が高くなるタイミングで、大脳皮質と線条体間を結ぶ二つの神経経路を特異的に神経活動を操作し、それぞれの経路が意思決定に果たす役割を検証する研究である。

Outline of Annual Research Achievements

行動した結果(報酬や罰)を基に次の行動を選択する場面における大脳皮質-基底核回路の脳領域間を結ぶ神経経路の役割を明らかにするために、2つの経路(大脳皮質二次運動野-線条体経路と大脳皮質前頭眼窩野-線条体経路)に着目し、これら2経路それぞれが果たす役割を明らかにすることを主目的とする。
2023年度は二次運動野と線条体の回路活動の解析に注力し、得られた結果を学会にて発表し、論文化を目指し投稿中である。ラットが行動課題遂行中の二次運動野と線条体の協調活動は、試行ごとにどのように変容するかを定量解析するために、テンソル分解を用いた次元圧縮法を適用し解析した。テンソル分解は、低次元で神経回路活動の特徴を抽出するだけでなく、試行ごとの変容を定量的に分析できるメリットがある。その結果、二次運動野と線条体の協調活動は試行ごとに変化する行動変数と相関する成分があり、次の行動を繰り返し選択するか切り替えて選択するかによってダイナミックに変化する成分が明らかとなった。
実験技術面では、複数の大脳皮質から同時に神経活動の電気生理学的に記録する手法を確立した。両半球一次運動野からのin vivo神経活動の記録に成功し、前肢運動課題遂行中の両半球運動野間の神経活動の相関関係を分析した。この一部の成果を学会にて発表し、別の論文として投稿中である。この確立した記録技術を大脳皮質二次運動野と大脳皮質前頭眼窩野と線条体からの同期記録に応用することを目標として検証中である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2023年度では、大脳皮質二次運動野ー線条体回路活動の解析が進み、論文化を目指し投稿中である。該当年度は、解析・論文化に注力したため、行動課題遂行中のマウスの大脳皮質二次運動野と前頭眼窩野から神経活動に光遺伝学操作を組み合わせた実験を実施する予定であったが、二次運動野と前頭眼窩野からの同時記録に至っていない。一方、両半球の一次運動野から自由行動下のマウスから同時記録する実験手法を確立し、データ取得・解析を進められた。
光遺伝学的手法と電気生理学的記録の併用方法の確立ができていないため、当初の予定よりやや遅れていえる。神経活動記録と光操作の併用技術に関して改善を検証中である。確立でき次第、二次運動野と前頭眼窩野の神経活動記録・操作に適用する。

Strategy for Future Research Activity

2024年度では、解剖学的に特定した大脳皮質二次運動野と前頭眼窩野から神経活動を同時に記録しつつ、行動課題のイベント時刻に合わせて光遺伝学的操作を組合わせる方法を確立し、データを集積し解析する。光刺激によって発火活動を示す神経細胞を特定できるように解析方法を確立する。 実験方法の確立に改善が見られない場合は、マウスを2群(神経活動記録用と神経活動操作用)に分けて、神経活動記録実験と光操作実験を別々に実施しデータ取得を優先する。
本研究で得られた結果をまとめて論文化を目指す。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (3 results) (of which Open Access: 2 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Cholinergic modulation of interhemispheric inhibition in the mouse motor cortex2024

    • Author(s)
      Takashi Handa, Qing Zhang, Hidenori Aizawa
    • Journal Title

      bioRxiv

      Volume: -

    • DOI

      10.1101/2024.02.05.579044

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Decomposed frontal corticostriatal ensemble activity changes across trials, revealing distinct features relevant to outcome-based decision making2024

    • Author(s)
      Takashi Handa, Tomoki Fukai, Tomoki Kurikawa
    • Journal Title

      bioRxiv

      Volume: -

    • DOI

      10.1101/2024.03.23.586395

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Open Access
  • [Journal Article] 個体ごとの行動特性に関係する神経回路活動2023

    • Author(s)
      半田高史
    • Journal Title

      月刊「細胞」

      Volume: 55 Pages: 37-40

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] アセチルコリンがマウス半球間抑制神経回路に与える神経修飾作用2024

    • Author(s)
      半田高史、張晴、相澤秀紀
    • Organizer
      第129回日本解剖学会総会・全国学術集会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 行動課題進行中の大脳皮質前頭皮質-線条体回路活動パタンが表象する行動関連情報の動態2024

    • Author(s)
      半田高史、栗川知己
    • Organizer
      第101回日本生理学会大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] アセチルコリン神経伝達によるマウス大脳皮質運動野における半球間相互作用の修飾2023

    • Author(s)
      半田高史、相澤秀紀
    • Organizer
      第46回日本神経科学大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] テンソル分解による大脳皮質-線条体回路活動パタンの解析2023

    • Author(s)
      半田高史
    • Organizer
      第75回日本生理学会中国四国地方会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] マウス半球間抑制神経回路に与えるアセチルコリン神経修飾の影響2023

    • Author(s)
      半田 高史、張 晴、相澤 秀紀
    • Organizer
      第77 回中国・四国支部学術集会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Cholinergic modulation fo interhemispheric interaction in the mouse motor cortex2023

    • Author(s)
      Takashi Handa, Qing Zhang, Hidenori Aizawa
    • Organizer
      The 2nd International Symposium HYPER-ADAPTABILITY
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マウス二次運動野における交連線維の光遺伝学的興奮によって誘発されるフィールド電位とスパイク発火特性への薬理学的影響2022

    • Author(s)
      半田高史、相澤秀紀
    • Organizer
      Neuro2022(日本神経科学学会・日本神経化学学会・日本神経回路学会の合同大会)
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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