習慣・目的志向行動の脳内機構の構成論的解明

• Project/Area Number: 23K21693
• Project/Area Number (Other): 21H03492 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 61030:Intelligent informatics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 船水 章大 東京大学, 定量生命科学研究所, 講師 (20724397)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2025: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2024: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2021: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: 強化学習 / 知覚意思決定 / 光遺伝学 / イメージング / マウス / 習慣行動 / 目的志向行動 / 神経活動計測 / 行動戦略

Outline of Research at the Start

ヒトや動物は，ひとつの状況に対しても複数の行動戦略を用意し，その戦略を使い分ける．本研究は，戦略切り替えの神経回路基盤を，機械学習と神経科学を統合した学際的手法で解明する．具体的には，マウスの行動実験や神経活動操作と計測，AIによる行動モデル化を用いる．本研究の達成は，脳の柔軟な適応行動の神経基盤解明につながる．将来は，柔軟な行動選択が阻害される精神疾患の基礎的理解や，脳型人工知能の構築に貢献する．
（研究の概要は、前年度から変更ありません）

Outline of Annual Research Achievements

ヒトや動物は，ひとつの状況に対して複数の行動戦略を用意し，その戦略を使い分ける．本研究は，戦略切り替えの神経回路基盤を，神経科学と機械学習を統合した学際的手法で解明する．まず，これまでの研究の継続で，マウスの行動課題を実施した．同課題は，音周波数の遷移確率pを操作することで，習慣行動・目的志向行動を分離できる．本研究は，p=0.8に設定した交互条件 (alternating condition) と，p=0.2の連続条件 (repeating condition) を，別々の野生型マウスで実施した．
行動課題時の各マウスで，神経活動を電気生理学的に計測した．Neuropixels1.0を用いた．この計測では，眼窩前頭皮質・運動野・線条体・頭頂葉・海馬・聴覚野の神経活動を大規模計測した．1日の計測で，1または2領野から神経活動を計測した．
行動モデル化の結果，行動課題の交互条件・連続条件でのマウスの選択行動は，それぞれ，モデルフリー戦略・状態推定戦略に適合することを発見した．神経活動計測の結果，上記の6領野のほぼ全てが，両戦略の報酬予測を表現した．これらの結果は，少なくとも行動戦略の過学習の段階では，脳の複数領野がモデルフリー戦略・状態推定戦略を表現することを示唆する．
これらの行動実験，行動モデル化，神経活動計測と解析で，プレプリントを発表した (bioRxiv)．現在，国際的な学術雑誌に成果を投稿中である．

また，行動課題時のマウスで，眼窩前頭皮質の光抑制実験を行った．同実験では，GtACR2を発現したアデノ随伴ウイルスを，眼窩前頭皮質に注入した．予備実験の結果，交互条件・連続条件でともに，光抑制で，適切な行動バイアスの獲得が遅れることがわかった．今後も実験を継続する．

Current Status of Research Progress

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

Reason

マウスの行動課題時に，神経活動の大規模計測を実施した．神経活動解析の結果と，行動実験・行動モデリングを統合し，プレプリントを発表した．一方で，光抑制の実験は遅れている．これらを統合し，おおむね順調とした．

Strategy for Future Research Activity

プレプリントでまとめた成果を，国際的な学術雑誌に発表する．同時に，神経活動抑制の実験を進める．さらに，人工神経回路網での行動選択モデル化を進める．人工神経回路網の人工素子の活動と，マウスの神経細胞の活動を比較する．得られた成果をまとめ，国際的な学術雑誌に投稿する．

Research Products

• [Journal Article] Global neural encoding of model-free and inference-based strategies in mice (2024)
  • Author(s): Shuo Wang, Huayi Gao, Kotaro Ishizu, Akihiro Funamizu
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2024.02.08.579559
  • Open Access
• [Journal Article] Localized and global computation for integrating prior value and sensory evidence in the mouse cerebral cortex (2023)
  • Author(s): Kotaro Ishizu, Shosuke Nishimoto, Akihiro Funamizu
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2023.06.06.543645
  • Open Access
• [Journal Article] 計算論で読み解く意思決定の神経基盤 (2021)
  • Author(s): 船水章大
  • Journal Title: 中学医学社・Clinical Neuroscience -意思決定と行動選択の神経科学- Volume: 39 Pages: 937-942
• [Presentation] AI driven approach to understand the mouse neural circuit of decision making (2023)
  • Author(s): Akihiro Funamizu
  • Organizer: NTU x UTokyo Joint Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Neural Representation of Model-free and Inference-based Strategy in Mouse Brain (2023)
  • Author(s): Shuo Wang, Kotaro Ishizu, Akihiro Funamizu
  • Organizer: Society for Neuroscience 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Differential Roles of the Medial Prefrontal and Sensory Cortices in Integration of Prior Knowledge and Sensory Inputs in Perceptual Decision-Making in Mice (2023)
  • Author(s): Kotaro Ishizu, Akihiro Funamizu.
  • Organizer: Society for Neuroscience 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Proposed two-stage decision-making task to understand the neural basis of transfer learning (2023)
  • Author(s): Taku Hirota, Akihiro Funamizu
  • Organizer: 第22回東京大学生命科学シンポジウム
• [Presentation] Contribution of the sensory cortex and medial prefrontal cortex during perceptual decision making (2023)
  • Author(s): Kotaro Ishizu, Akihiro Funamizu.
  • Organizer: The 46th Annual meeting of the Japan Neuroscience Society (NEURO2023)
• [Presentation] Two-stage behavior tasks to understand the neural basis of transfer learning (2023)
  • Author(s): Taku Hirota, Akihiro Funamizu
  • Organizer: The 46th Annual meeting of the Japan Neuroscience Society (NEURO2023)
• [Presentation] Involvement of the sensory cortex and medial prefrontal cortex in perceptual decision making (2023)
  • Author(s): Kotaro Ishizu, Akihiro Funamizu.
  • Organizer: The 33rd Annual Meeting of the Japanese Neural Network Society (JNNS2023);
• [Presentation] Behavioral Experiment in Mice for Understanding the Neural Basis of Transfer Learning (2023)
  • Author(s): Taku Hirota, Akihiro Funamizu
  • Organizer: The 33rd Annual Meeting of the Japanese Neural Network Society (JNNS2023);
• [Presentation] Neural basis of inference-based and model-free strategy in head-fixed mouse. (2023)
  • Author(s): Wang S, Ishizu K, Funamizu A
  • Organizer: ACC International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大規模データ解析による脳の意思決定の理解. (2023)
  • Author(s): 船水章大
  • Organizer: データ駆動科学と情報計測の新展開
• [Presentation] Modeling mouse behavior during sound frequency discrimination task by reservoir computing. (2022)
  • Author(s): Ueoka Y, Wang S, Ishizu K, Funamizu A
  • Organizer: Neuro2022 (Japan neuroscience society meeting)
• [Presentation] Contribution of dorsal cortical regions in mouse auditory perceptual decision-making task. (2022)
  • Author(s): Hata K, Funamizu A
  • Organizer: Neuro2022 (Japan neuroscience society meeting)
• [Presentation] 知覚意思決定における大脳新皮質の情報表現と発信 (2022)
  • Author(s): 船水章大
  • Organizer: これからの神経回路研究の会
  • Invited
• [Presentation] 大脳新皮質における感覚情報と事前知識の統合 (2021)
  • Author(s): 船水章大
  • Organizer: 応用物理学会 トータルバイオミメティクス研究グループ
  • Invited
• [Presentation] 知覚意思決定における大脳皮質の一次感覚野の情報表現と発信 (2021)
  • Author(s): 船水章大
  • Organizer: 生理学研究所 研究会 (大脳皮質を中心とした神経回路：構造と機能、その作動原理)
  • Invited
• [Remarks] 研究者の主催する研究室のホームページ
  • URL: https://www.iqb.u-tokyo.ac.jp/lab/funamizu/