多領域細胞神経活動から抽出された広域ダイナミクスによる探索行動の基盤解明

• Project/Area Number: 23K20309
• Project/Area Number (Other): 20H03357 (2020-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2020-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 46030:Function of nervous system-related
• Research Institution: Tamagawa University
• Principal Investigator: 田中 康裕 玉川大学, 脳科学研究所, 教授 (20533128)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2024: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2020: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: 多細胞記録 / 探索行動 / 細胞外記録 / 多領域多細胞 / ダイナミクス / 仮想現実 / 機械学習

Outline of Research at the Start

本研究では、探索行動を行うラットの大脳皮質・線条体・小脳・視床・海馬・中脳などを始めとする主要な脳構造にわたりニューロピクセル電極を用いて記録し、機械学習によって多細胞神経活動の背後にあるダイナミクスを抽出する。それらのダイナミクス（以下、広域ダイナミクス）を行動と結び付け、行動の変化や個体差を広域ダイナミクスから説明する。安静下・麻酔下の動物を用いて技術開発を行い、次に仮想現実環境で探索行動を行う生体で広域ダイナミクスを明らかにし、探索行動の基盤を探る。

Outline of Annual Research Achievements

動物の知性が様々な形で現れる探索行動を支える神経基盤を探ることを目的として、仮想現実環境下で探索行動を行うラットの多領域多細胞の神経活動を記録し、その背後にあるダイナミクスを抽出し、神経活動ダイナミクスと動物行動やその背景にある計算論的パラメーターとの関係性を明らかにしようとしている。研究実施計画に従い、頭部固定下で行動中の動物からの神経活動記録の開発を行った。また、仮想現実空間での探索課題の開発はほぼ完了し、行動の記録を行っている。仮想現実空間のセットアップとしては、多くの研究室で使われている浮き球を用いた系を開発してきたが、神経活動の記録と組み合わせる上で立体的な問題や電気的ノイズの問題など複数の問題が生じている。一方で、頭部固定下での行動課題では、ラットがアバターを操作して探索行動を行うことができる可能性が示唆された。そのため、神経活動記録が先行している頭部固定下の記録系をもとに、現在より操作性が高く、探索行動を行える実験セットの構築を始めている。細胞外記録はニューロピクセル電極とSpike GLXによって計測し、KilosortとPhyでユニットとして分離した。研究を開始した2019年からすると、この分野での進展は特にソフトウェアの面で急速に進んでいる。本研究ではSpikeGLXについても最新版を利用し、Kilosort2.5, 3（4については2024度に導入予定）およびPhyについても2.0を用いるなど、順調にアップデートを進めている。記録されたデータをNWB形式で保存する標準化も採用した。また、Neuropixels2.0についても、これを用いた記録を開始した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

仮想現実空間での課題開発が進んでおり、新規電極（Neuropixels2.0）などを用いた記録も複数領域でおこなったため。

Strategy for Future Research Activity

仮想現実空間での探索課題の開発を行い、その間の記録を行う。記録された細胞活動のモデル化・解析を進める。

Research Products

• [Journal Article] Layer 5 Intratelencephalic Neurons in the Motor Cortex Stably Encode Skilled Movement (2023)
  • Author(s): Shinotsuka Takanori、Tanaka Yasuhiro R.、Terada Shin-Ichiro、Hatano Natsuki、Matsuzaki Masanori
  • Journal Title: The Journal of Neuroscience Volume: 43 Issue: 43 Pages: 7130-7148
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0428-23.2023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Activity-dependent organization of prefrontal hub-networks for associative learning and signal transformation (2023)
  • Author(s): Agetsuma Masakazu、Sato Issei、Tanaka Yasuhiro R.、Carrillo-Reid Luis、Kasai Atsushi、Noritake Atsushi、Arai Yoshiyuki、Yoshitomo Miki、Inagaki Takashi、Yukawa Hiroshi、Hashimoto Hitoshi、Nabekura Junichi、Nagai Takeharu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 5996-5996
  • DOI: 10.1038/s41467-023-41547-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ラット前脳の脳定位アトラス (2022)
  • Author(s): 杉本翔哉、石田順子、田中康裕
  • Journal Title: 玉川大学脳科学研究所紀要 Volume: 15 Pages: 19-27
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Activity-dependent organization of prefrontal hub-networks for associative learning and signal transformation (2021)
  • Author(s): Agetsuma Masakazu、Sato Issei、Tanaka Yasuhiro R、Carrillo-Reid Luis、Kasai Atsushi、Arai Yoshiyuki、Yoshitomo Miki、Inagaki Takashi、Hashimoto Hitoshi、Nabekura Junichi、Nagai Takeharu
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2021.08.31.458461
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Local Connections of Pyramidal Neurons to Parvalbumin-Producing Interneurons in Motor-Associated Cortical Areas of Mice (2021)
  • Author(s): Kuramoto Eriko、Tanaka Yasuhiro R.、Hioki Hiroyuki、Goto Tetsuya、Kaneko Takeshi
  • Journal Title: eneuro Volume: 9 Issue: 1 Pages: 1-20
  • DOI: 10.1523/eneuro.0567-20.2021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural dynamics and stability of corticocortical and thalamocortical axon terminals during motor learning (2020)
  • Author(s): Hasegawa Ryota、Ebina Teppei、Tanaka Yasuhiro R.、Kobayashi Kenta、Matsuzaki Masanori
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 15 Issue: 6 Pages: e0234930-e0234930
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0234930
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 運動皮質L5a-IT細胞は、学習で得た運動を安定的にコードする (2024)
  • Author(s): 田中康裕
  • Organizer: 令和5年度大脳基底核機能研究会
  • Invited
• [Presentation] Acquiring information of axonal activity in vivo with two-photon calcium imaging: study on thalamocortical axons during motor learning (2024)
  • Author(s): Yasuhiro Tanaka
  • Organizer: 第101回日本生理学会大会
  • Invited
• [Presentation] 多細胞神経活動記録による神経ダイナミクスの探求 (2023)
  • Author(s): 田中康裕
  • Organizer: 生理研研究会「力学系の視点からの脳・神経回路の理解」
  • Invited
• [Presentation] 多細胞神経活動と行動データの解析 (2023)
  • Author(s): 田中康裕
  • Organizer: 神経回路学会サテライトシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Stable encoding of skilled movement by layer 5 intratelencephalic neurons in the motor cortex (2023)
  • Author(s): Yasuhiro Tanaka
  • Organizer: 生理学研究所部門公開セミナー
  • Invited
• [Presentation] Multi-regional, multi-cellular approaches to reward-related representation in rodents (2023)
  • Author(s): 田中康裕
  • Organizer: International Symposium for Well-being and Agency
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Neural activity dynamics of medial prefrontal cortex during operant conditioning (2023)
  • Author(s): 杉本翔哉、田中康裕
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stable encoding of learned movement by layer 5 intratelencephalic neurons in the motor cortex. (2023)
  • Author(s): Yasuhiro R Tanaka , Takanori Shinotsuka , Shin-Ichiro Terada , Natsuki Hatano , Masanori Matsuzaki
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 運動学習のアセチルコリンは脳半球内部で供給される (2023)
  • Author(s): 岡本 和樹、田中 康裕、加藤 成樹、小林 和人、小池 正人、日置 寛之
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cholinergic axonal dominance in the cerebral hemisphere and its relation to hand switching (2023)
  • Author(s): Kazuki Okamoto, Yasuhiro Tanaka, Shigeki Kato, Kazuto Kobayashi, Masato Koike, Hiroyuki Hioki
  • Organizer: 第129回日本解剖学会
• [Presentation] Elucidation of the neural system representing subjective value through population neuronal activity (2023)
  • Author(s): Yasuhiro Tanaka
  • Organizer: JST-LIR Collaborative Workshop on human well-being and resilience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大脳半球独立的なアセチルコリン投射により利き手矯正が成立する (2023)
  • Author(s): 岡本 和樹, 田中 康裕, 加藤 成樹, 小林和人, 小池正人、日置 寛之
  • Organizer: 第29回海馬と高次脳機能学会
• [Presentation] in vivo 脳ダイナミクス研究の現在 (2022)
  • Author(s): 田中康裕
  • Organizer: 東北大学電気通信研究所 共同プロジェクト研究・非線形ワークショップ 合同研究会
  • Invited
• [Presentation] Layer 5 intratelencephalic neurons in the motor cortex stably encode learned goal-directed movement (2022)
  • Author(s): 篠塚崇徳、田中康裕、寺田晋一郎、畠野夏輝、松崎政紀
  • Organizer: 新学術領域「脳情報動態」第3回国際シンポジウム
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Iar: Long-Evans系統ラットの脳定位アトラスの作成 (2021)
  • Author(s): 杉本翔哉、石田順子、田中康裕
  • Organizer: 第127回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Presentation] 光と数理による恐怖記憶における前頭前野情報処理機構の解明 (2021)
  • Author(s): 揚妻 正和、佐藤 一誠、田中 康裕、笠井 敦、新井 由之、吉友 美樹、橋本 均、鍋倉 淳一、永井 健治
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] 課題遂行中のサル第一次視覚野からの微小内視鏡カルシウムイメージング (2021)
  • Author(s): 小口 峰樹、ショウ嘉森、吉岡 敏秀、田中 康裕、井上 謙一、髙田 昌彦、菊水 健史、野元 謙作、坂上 雅道
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] 生体脳に神経回路を創出するための技術開発 (2021)
  • Author(s): 正水 芳人、蝦名 鉄平、田中 康裕、根岸 みどり、尾上 弘晃、竹内 昌治、松崎 政紀
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] ラットの大脳皮質細胞へのシナプス入力特性 (2021)
  • Author(s): 窪田 芳之、畑田 小百合、山口 登、モハメド アルサイド、田中 康裕、川口 泰雄
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] 前頭皮質5層錐体細胞の皮質間投射多様性 (2021)
  • Author(s): 任 翔フン、植田 禎史、大塚 岳、田中 康裕、川口 泰雄
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] 意思決定中の皮質-大脳基底核情報ダイナミクスの解明に向けて (2021)
  • Author(s): 杉本 翔哉、田中 康裕
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] マウス前頭野における報酬関連活動の抽出：テンソル成分分析を用いた解析 (2020)
  • Author(s): 遠藤卓也、田中康裕、近藤将史、松崎政紀
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] 複数の活動周波数を持つリカレントネットワークによる神経細胞集団ダイナミクスのモデル化 (2020)
  • Author(s): 的場涼太、松崎政紀、田中康裕
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] 運動学習過程における皮質間・視床皮質間投射軸索終末構造のダイナミクスと安定化 (2020)
  • Author(s): 長谷川亮太、蝦名鉄平、田中康裕、小林憲太、松崎政紀
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] 運動学習による一次運動野の入出力リモデリング (2020)
  • Author(s): 田中康裕、正水芳人、田中康代、篠塚崇徳、松崎政紀
  • Organizer: 第126回日本解剖学会総会・全国学術集会、第98回日本生理学会合同大会
• [Book] 教養としての脳（1章・13章） (2023)
  • Author(s): 田中康裕
  • Total Pages: 270
  • Publisher: 共立出版
  • ISBN: 9784320058422