Technical development of neural activity measurement of specific input-pathways from multiple brain regions and its application to sleeping-state hippocampal activities

• Project/Area Number: 22KJ1454
• Project/Area Number (Other): 21J01654 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 46010:Neuroscience-general-related
• Research Institution: University of Toyama
• Principal Investigator: 長内 尚之 富山大学, 医学部, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 局所電場電位 / 独立成分分析 / 光遺伝学 / 海馬-嗅内皮質回路 / オシレーション / 神経回路

Outline of Research at the Start

本研究は、①多点電極アレイで記録した局所電場電位から、特定脳領域からの入力活動を分離する技術を開発し、神経回路の動態を調べるうえで基礎となる技術を確立する。さらに、開発した技術を用いて、②海馬以外の脳領域(嗅内皮質・視床結合核)から海馬CA1への入力によるリップル波発生の調節機構解明に応用する。具体的には、記録した局所電場電位に対し、独立成分分析を用いて特定脳領域からの入力由来活動を分離する。その際、分離した信号源がどの入力回路に由来するのか同定するために、特定の回路の刺激誘発応答を観察する。開発した技術を睡眠時脳活動に応用し、分離した入力由来活動とリップル波の発生の時間的相関を調べる。

Outline of Annual Research Achievements

海馬CA1にシリコンプローブと光ファイバーをインプラントし、記録した局所電場電位に対して独立成分分析を用いて複数の信号源を分離した。さらに、分離した信号源において特定回路の光刺激に対する誘発応答を調べ、入力回路由来活動を同定した。光刺激アーティファクトと神経誘発活動は光刺激に対する応答の動態が異なっており、短パルス波形と指数減少関数の畳み込みを用いてアーティファクト波形モデルを作製し、モデル波形をカーブフィットして元の波形から差し引くことで神経誘発応答波形を得た。誘発応答が見られたコンポーネントから海馬CA3と嗅内皮質細胞由来活動を再構成し比較したところ、海馬CA1錐体細胞層においてリップル活動の大きさに差が見られた。さらに、嗅内皮質3層細胞と嗅内皮質2層島細胞由来活動を比較したところ、シータリズムの大きさや、海馬CA1におけるLFPとのシータ-ガンマカップリングの強さに差がある傾向を見出した。よって、本研究で開発した技術は異なる脳領域からの入力活動動態の違いを示せることを確認した。さらに、海馬歯状回において外側嗅内皮質と内側嗅内皮質からの入力を分離した。分離した入力は、オブジェクト認識記憶と空間作業記憶のタスク中で異なる傾向にあった。上記の進展に加えて、局所電場電位記録に対し独立成分分析を用いることで解析的に筋電位情報を抽出できることを示した。この技術は直接的な筋電位測定をしなくても筋電位情報の取得を可能にし、筋電位を利用した動物の動きや睡眠の長期的・安定的な行動解析を可能にする。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] UT Southwestern Medical Center(米国)
• [Journal Article] Extracting electromyographic signals from multi-channel local-field-potentials using independent component analysis without direct muscular recording (2023)
  • Author(s): Hisayuki Osanai, Jun Yamamoto, and Takashi Kitamura
  • Journal Title: Cell Reports Methods Volume: -
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dissecting roles of cell-type specific pathways in medial entorhinal cortical- hippocampal network for episodic memory (2023)
  • Author(s): Hisayuki Osanai, Indrajith R Nair and Takashi Kitamura
  • Journal Title: Journal of Neurochemistry Volume: -
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hippocampal-amygdala memory circuits govern experience-dependent observational fear (2022)
  • Author(s): Joseph I Terranova, Jun Yokose, Hisayuki Osanai, William D Marks, Jun Yamamoto, Sachie K Ogawa, Takashi Kitamura
  • Journal Title: Neuron Volume: 110(8) Issue: 8 Pages: 1416-1431
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2022.01.019
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Identification of pathway-specific local field potentials in the entorhinal cortical-hippocampal networks (2023)
  • Author(s): Osanai, H; Yamamoto, J; Ogawa, S; Kitamura, T
  • Organizer: 2023 International Conference on Learning and Memory
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Identification of pathway-specific local field potentials in the entorhinal cortical-hippocampal networks”, poster presentation (2022)
  • Author(s): Hisayuki Osanai, Jun Yamamoto, Sachie Ogawa, Kaoru Inokuchi, Takashi Kitamura
  • Organizer: Neuro2022