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マルチモーダルスキルを支える大脳皮質-大脳基底核連関の情報処理様式

Research Project

Project/Area Number 23K27472
Project/Area Number (Other) 23H02781 (2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023)
Section一般
Review Section Basic Section 51010:Basic brain sciences-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

井上 謙一  京都大学, ヒト行動進化研究センター, 助教 (90455395)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2027-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000)
Fiscal Year 2026: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2025: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Keywordsスキル / 霊長類 / 大脳基底核 / ウイルスベクター / トレーシング / 解剖学
Outline of Research at the Start

本研究は、独自開発した双方向性多重蛍光越シナプストレーシング法や、神経路選択的な機能介入などの先端的ネットワーク解析法を駆使し、多様なスキルの習得と利用に関わる大脳皮質―大脳基底核ループの情報処理回路構造とその機能を解明することを目的とする。具体的には、順行性トレーシングと逆行性越シナプストレーシングを同時適用した双方向性多重蛍光トレーシングとAIや空間統計を利用したラベル解析により、皮質―基底核ループ回路における情報統合様式を明らかにする。このことにより、同回路の基本的役割の理解と、同回路が関与する運動・精神疾患の病態の理解に貢献する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、独自開発した双方向性多重蛍光越シナプストレーシング法や、神経路選択的な機能介入などの先端的ネットワーク解析法を駆使し、多様なスキルの習得と利用に関わる大脳皮質―大脳基底核ループの情報処理回路構造とその機能を解明するための研究を行なっている。今年度は、2種類x4色の感染速度低下・高発現型RVベクターを新規に作成し、in vitroおよびin vivoで感染伝播速度などを検証した。その結果、挿入遺伝子により感染伝播速度が変化するなどの問題が確認されたが、最終的に、Tet-Off法を利用した超高発現型AAVベクターによる軸索トレーシングとの同時適用に適したベクターが得られ、実用性の高い双方向性多重(4重)蛍光トレーシングに適した組み合わせを決定することが出来た。また、スライドスキャナーを利用した切片の高速かつ自動的な撮像法について調整を完了し、機械学習を利用したニューロンラベルの自動検出法、およびラベルデータの標準脳への投影法の開発を進めた。さらに、運動前野の2領域への異なる蛍光タンパクを発現する2種類のRVベクター注入後のラベルに対して半自動ラベリングを行い、ラベルパターンに対しマルコフ連鎖モンテカルロ法やx-means法を利用した空間統計によるラベルパターン分析を利用した結果、大脳皮質―大脳基底核ループ回路における直接路・間接路・ハイパー直接路の情報統合様式の違いを示唆する結果を得た。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

交付申請書の研究の目的および実施計画欄に記載した計画が順調に進展している。高発現型狂犬病ウイルス(RV)ベクターの開発、同ベクターと超高発現型アデノ随伴ウイルス(AAV)ベクターを利用した双方向性多重(4重)蛍光トレーシングによる入出力同時解析法の開発については、想定外の結果が生じ追加の開発と検証が必要となったものの、最終的に実用性の高い双方向性多重蛍光トレーシングに適した、感染速度低下・高発現型RVベクターと超高発現型AAVベクターの組み合わせを得ることができた。また、逆行性ラベルを半自動的に解析する手法およびラベルパターンの解析法の構築に関しても進展が得られており、運動前野の2領域を対象とした実験により、大脳基底核における情報統合様式について興味深い結果が得られている。

Strategy for Future Research Activity

研究はおおむね順調に進展していると考えられるため、今後も当初予定に従って研究を進める。具体的には、前年度組み合わせを決定した感染速度低下・高発現型RVベクターTet-Off法を利用した超高発現型AAVベクターによる双方向性多重蛍光トレーシングを前頭葉の2つの異なる皮質領野(前頭前野・帯状回と運動前野・運動野など)に同時注入し、RVベクターの逆行性越シナプス的感染による、線条体や視床下核におけるラベルの分布、および多重ラベルされた(2つの皮質領野に情報を送る)ニューロンの分布を解析する。また、注入皮質領野からの順行性軸索ラベルの分布を解析することにより、入出力の局在関係、特に線条体・視床下核における単一・多重ラベル部位への各領野からの入力様式を解析する。
ラベル解析に関しては、機械学習を利用したニューロンラベルの自動検出法を開発し、ヒトと同等の高精度ラベル検出を実現し、逆向性ラベルを高速かつ正確に検出できるようにする。これらのラベルデータに対して、マルコフ連鎖モンテカルロ法やx-means法を利用した空間クラスタリング解析などの空間統計を用いたラベルパターン分析を行い、ループ内・ループ間での情報統合パターンを、大脳基底核内の経路ごとに明らかにする。これに加え、注入サルの脳の還流固定後MRI画像と薄切時の切断面画像を利用し、ラベル座標の標準脳への投影を行う事により、複数頭のデータを統合し、大脳基底核を巡る全ネットワークを一つの標準脳空間内で比較することを可能とする。これらの解析によって、皮質領野が大脳基底核と形成するループ回路の基本的フレームワークを明らかにするとともに、複数の大脳皮質―大脳基底核ループ回路間でのグローバルな情報統合様式を解明する。

Report

(1 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • Research Products

    (29 results)

All 2024 2023

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 5 results) Presentation (23 results) (of which Int'l Joint Research: 12 results,  Invited: 2 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] BBB opening with focused ultrasound in nonhuman primates and Parkinson's disease patients: targeted AAV vector delivery and PET imaging.2023

    • Author(s)
      Blesa J; Pineda-Pardo JA; Inoue K; Gasca-Salas C; Balzano T; del Rey NL-G; Reinares-Sebastian A; Esteban-Garcia N; Rodriguez-Rojas R; Marquez R; Ciorraga M; del Alamo M; Garcia-Canamaque L; de Aguiar SR; Rachmilevitch I; Trigo-Damas I; Takada M; Obeso JA
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 9 Issue: 16 Pages: 16-16

    • DOI

      10.1126/sciadv.adf4888

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Environmental context-dependent activation of dopamine neurons via putative amygdala-nigra pathway in macaques.2023

    • Author(s)
      Maeda K; Inoue K; Takada M; Hikosaka O
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 2282-2282

    • DOI

      10.1038/s41467-023-37584-9

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A Light-Gated Cation Channel with High Reactivity to Weak Light2023

    • Author(s)
      Shoko Hososhima, Shinji Ueno, Satoshi Okado, Ken-ichi Inoue, Masae Konno, Yumeka Yamauchi, Keiichi Inoue, Hiroko Terasaki, Hideki Kandori, Satoshi P. Tsunoda
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 7675-7675

    • DOI

      10.1038/s41598-023-34687-7

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A mosaic adeno-associated virus vector as a versatile tool that exhibits high levels of transgene expression and neuron specificity in primate brain.2023

    • Author(s)
      Kimura K; Nagai Y; Hatanaka G; Fang Y; Tanabe S; Zheng A; Fujiwara M; Nakano M; Hori Y; Takeuchi RF; Inagaki M; Minamimoto T; Fujita I; Inoue K; Takada M
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 4762-4762

    • DOI

      10.1038/s41467-023-40436-1

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Multimodal imaging for validation and optimization of ion channel-based chemogenetics in nonhuman primates2023

    • Author(s)
      Yuki Hori, Yuji Nagai, Yukiko Hori, Kei Oyama, Koki Mimura, Toshiyuki Hirabayashi, Ken-ichi Inoue, Masayuki Fujinaga, Ming-Rong Zhang, Masahiko Takada, Makoto Higuchi, Takafumi Minamimoto
    • Journal Title

      Journal of Neuroscience

      Volume: 43 Issue: 39 Pages: 6619-6627

    • DOI

      10.1523/jneurosci.0625-23.2023

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Generation of a marmoset model for neurodevelopmental disorders through brain-wide transgene delivery in neonates2024

    • Author(s)
      Xincheng Zhao; Takaaki Kaneko; Kei Kimura; Wanyi Lu; Satoshi Nonomura; Takanobu Nakazawa; Ryota Hashimoto; Ken-ichi Inoue; Masahiko Takada
    • Organizer
      3施設合同シンポジウム
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  • [Presentation] ウイルスベクター入門2024

    • Author(s)
      井上 謙一
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      第5回サル脳新技術研究会
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    • Invited
  • [Presentation] A fluorescent dopamine sensor reveals distinct signals on reward prediction error and expected reward value in the primate putamen and caudate nucleus2023

    • Author(s)
      Yan G; Amita H; Nonomura S; Inoue K; Takada M
    • Organizer
      XIVth Meeting for International Basal Ganglia Society
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Medial prefrontal cortex neuron negatively controls action switch based on diminishing reward in rats2023

    • Author(s)
      Nonomura S; Takayasu T; Kaneko T; Amita H; Inoue K; Takada M
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      XIVth Meeting for International Basal Ganglia Society
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  • [Presentation] Optogenetic activation of somatosensory afferents in non-human primates by systemic AAV administration2023

    • Author(s)
      Kosugi A; Kudo M; Inoue K; Takada M; Seki K
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      Motor Control: Spinal Circuits and Beyond 2023
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マウス CD25特異的組換え体イムノトキシンを利用したコモンマーモセット脳内神経細胞種の選択的ターゲティング2023

    • Author(s)
      小林 とも子、加藤 成樹、菅原 正晃、小澤 龍彦、井上 謙一、高田 昌彦、恩田 正徳、小林 和人
    • Organizer
      第46回日本神経科学大会
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  • [Presentation] A versatile tool for automated quantification of natural/social behaviors in the common marmosets2023

    • Author(s)
      Xincheng Zhao; Takaaki Kaneko; Jumpei Matsumoto; Wanyi Lu; Louie Ueno; Takao Oishi; Kensuke Ikenaka; Kousuke Baba;Hisao Nishijo; Hideki Mochizuki; Ken-ichi Inoue; Masahiko Takada
    • Organizer
      第46回日本神経科学大会
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  • [Presentation] Behavioral adjustment to others’ internal states in the common marmosets under a food competition task2023

    • Author(s)
      Wanyi Lu; Takaaki Kaneko; Jumpei Matsumoto; Xincheng Zhao; Louie Ueno; Takao Oishi; Ken-ichi Inoue; Masahiko Takada
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  • [Presentation] 概日時計によって制御される哺乳類の記憶・学習2023

    • Author(s)
      清水 貴美子、井上 謙一、小林 洋大、大石 高生、高田 昌彦、今井 啓雄、深田 吉孝
    • Organizer
      第46回日本神経科学大会
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  • [Presentation] 報酬の漸減に基づいた行動選択に関わる内側前頭前皮質からの情報伝達2023

    • Author(s)
      野々村 聡、兼子 峰明、網田 英敏、井上 謙一、高田 昌彦
    • Organizer
      第46回日本神経科学大会
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  • [Presentation] 動機づけ課題中の霊長類大脳皮質神経活動への自発的な体動の寄与2023

    • Author(s)
      瀬原 慧祐、近藤 将史、蝦名 鉄平、平山 由香、寺田 晋一郎、正水 芳人、高司 雅史、渡我部 昭哉、井上 謙一、山森 哲雄、松崎 政紀
    • Organizer
      第46回日本神経科学大会
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  • [Presentation] マカクザルの前部帯状皮質から中脳中心灰白質への局在投射2023

    • Author(s)
      曽我 ゆふき、吉野 倫太郎、木村 慧、大原 慎也、中村 晋也、井上 謙一、髙田 昌彦、筒井 健一郎
    • Organizer
      第46回日本神経科学大会
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  • [Presentation] Diurnal rhythm of Learning and memory regulated by SCOP in mice and nonhuman primates2023

    • Author(s)
      Shimizu K; Inoue K; Oishi T; Takada M; Imai H; Fukada Y
    • Organizer
      11th IBRO World Congress of Neuroscience
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 化学遺伝学的手法を用いた神経活動抑制によるデフォルトモードネットワーク変容とその理解2023

    • Author(s)
      堀 祐樹、永井 裕司、小山 佳、新田 展大、柴田 さやか、堀 由紀子、岩沖 晴彦、張 明栄、井上 謙一、高田 昌彦、小畠 隆行、樋口 真人、平林 敏行、南本 敬史
    • Organizer
      第51回日本磁気共鳴医学会大会
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  • [Presentation] Selective silencing of the ventral striatum-ventral pallidum pathway enhances approach choices and motivational states under approach-avoidance conflict in nonhuman primates2023

    • Author(s)
      Oh J; Amemori S; Inoue K; Kimura K; Takada M; Amemori K
    • Organizer
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  • [Presentation] Behavioral adjustment in response to others’ internal state in common marmosets: AI based quantification using neural networks that predict the internal state solely from actions.2023

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      Lu W; Kaneko T; Matsumoto J; Zhao X; Ueno L; Oishi T; Inoue K; Takada M
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  • [Presentation] Neural representations of medial prefrontal cortex neurons projecting to the striatum for diminishing reward-based action switch2023

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      Nonmura S; Kaneko T; Amita H; Inoue K; Takada M
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Parvalbumin-positive neuron-selective gene transduction into the monkey striatum2023

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      Zheng A; Kimura K; Nagai Y; Fujiwara M; Nakano M; Nagayasu K; K Inoue K; Takada M
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Characterizing the functional role of Interhemispheric Connections in value decisions using optical tools.2023

    • Author(s)
      Gopal PAA; You X; C. Mejias-Aponte C; Inoue K; Takada M; Hikosaka O
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Dopamine signals transmitted to different subregions of the primate striatum during economic decision-making2023

    • Author(s)
      Duo Z; Wang Y; Nejime M; Kunimatsu J; Amita H; Inoue K; Takada M; Yamada H; Matsumoto M
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] An AI system for quantification of common marmoset natural behaviors using markerless 3D pose estimation2023

    • Author(s)
      Zhao X; Kaneko T; Matsumoto J; Wanyi L; Ueno L; Oishi T; Ikenaka K; Baba K; Nishijo H; Mochizuki H; Inoue K; Takada M
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Optogenetic Tagging of the Oculomotor Pathway in Non-Human Primates2023

    • Author(s)
      Yu X; Gopal PAA; Inoue K; Takada M; Hikosaka O
    • Organizer
      Neuroscience 2023
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 越シナプストレーシングによる霊長類大脳皮質―大脳基底核ループ回路の構造解析2023

    • Author(s)
      井上 謙一
    • Organizer
      生理研研究会「多次元脳形態研究会
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    • Invited
  • [Book] Annual Review 神経 20232023

    • Author(s)
      井上 謙一
    • Total Pages
      339
    • Publisher
      中外医学社
    • ISBN
      9784498428003
    • Related Report
      2023 Annual Research Report

URL: 

Published: 2023-04-18   Modified: 2024-12-25  

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