運動制御・運動記憶における大脳ー小脳動的連関の解明とその操作

• Project Area: Mechanisms underlying the functional shift of brain neural circuitry for behavioral adaptation
• Project/Area Number: 15H01426
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: University of Yamanashi
• Principal Investigator: 喜多村 和郎 山梨大学, 総合研究部, 教授 (60423159)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥15,600,000 (Direct Cost: ¥12,000,000、Indirect Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2016: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2015: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: 運動 / 2光子イメージング / オプトジェネティクス / ２光子イメージング

Outline of Annual Research Achievements

・大脳―小脳間の機能的結合の同定
前年度に引き続き、光遺伝学を用いた大脳－小脳間の機能的結合の解析を行った。小脳皮質の様々な部位のプルキンエ細胞からスパイク記録を行いながら、大脳皮質をレーザーで刺激し、大脳と小脳の間の機能的結合マップを作成した。大脳からの入力は、小脳小葉ごとに、主に感覚野、運動野、連合野などから特異的な入力を受け取っている一方で、一部の小葉では、広い範囲から様々な情報を受け取っていることが明らかとなった。また、大部分の小葉で対側の大脳皮質から入力を受けていたものの、一部の小葉では両側性に入力があることが明らかとなった。特に、小脳半球の第二脚では両側の高次運動野から一次運動野にかけてほぼ同程度の入力を受けていた。その詳細を細胞ごとに解析したところ、主に対側から入力を受ける細胞と同側から入力を受ける細胞に分かれることがわかった。すなわち、各細胞が両側から均一に同じような入力を受け取っているわけではなく、細胞ごとに同側・対側特異的に入力を受けていた。さらに、同側からの入力によるスパイクは、対側入力によるスパイクに比べて潜時が短いことが明らかとなったことから、異なる経路を介して入力していることが予想された。
・課題実行中のマウス小脳における情報表現
前年度までに、音弁別課題を実行中のマウス小脳において運動および認知機能に関わる小脳モジュールを同定していたが、今年度は特に運動課題に絞って解析を行った。レバー引き運動課題を実行中の小脳皮質登上線維応答を2光子イメージングにより解析したところ、レバー引き直前の登上線維応答の増加と、レバー引き直後の登上線維応答の抑制が観察された。この結果を小脳の制御モデルに当てはめると、レバー引き前の登上線維入力はフィードバック運動指令を、レバー引き後の登上線維抑制は、報酬獲得中または随意運動中の感覚入力の抑制に対応していると考えられる。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Dendritic spikes in sensory perception. (2017)
  • Author(s): Manita S, Miyakawa H, Kitamura K, Murayama M
  • Journal Title: Frontiers in Cellular Neuroscience Volume: 11 Pages: 29-29
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] A novel method for assessment of reaching and grasping movements in head-fixed mice. (2017)
  • Author(s): Manita S, Ikezoe K, Kitamura K
  • Organizer: 第94回日本生理学大会
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松（静岡県・浜松市）
  • Year and Date: 2017-03-28
• [Presentation] Representation of cerebellar climbing fiber signals during goal-directed behavior and learning. (2016)
  • Author(s): Kitamura K
  • Organizer: NIPS International Workshop “Toward elucidation of memory engram”
  • Place of Presentation: 生理学研究所（愛知県・岡崎市）
  • Year and Date: 2016-12-07
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Functional differences in climbing fiber inputs to distinct cerebellar stripes during goal-directed behavior. (2016)
  • Author(s): Tsutsumi S, Hidaka N, Isomura Y, Matsuzaki M, Sakimura K, Kano M, Kitamura K
  • Organizer: Neuroscience 2016
  • Place of Presentation: San Diego（USA）
  • Year and Date: 2016-11-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 2光子イメージングによる小脳回路研究:発達から運動機能まで (2016)
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Organizer: 第63回中部生理学会
  • Place of Presentation: 岡崎カンファレンスセンター（愛知県・岡崎市）
  • Year and Date: 2016-11-04
  • Invited
• [Presentation] 脳機能の2光子イメージング (2016)
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Organizer: BioOpto Japan 2016
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2016-09-15
  • Invited
• [Presentation] Hyperacuity Bayesian technique to enhance temporal resolution of two-photon recording of complex spikes of cerebellar Purkinje cells. (2016)
  • Author(s): Hoang HT, Yamashita O, Tokuda IT, Kitamura K, Sato M, Kawato M, Toyama K
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2016-07-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cerebellar lobules receive spatiotemporally specific inputs from the cerebral cortex. (2016)
  • Author(s): Choo MJ, Hira R, Matsuzaki M, Kano M, Kitamura K
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2016-07-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Functional organization of cerebellar modules during skilled behavior (2016)
  • Author(s): Kazuo Kitamura
  • Organizer: 第９３回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-22
• [Presentation] Optogenetic mapping of cerebra-cerebellar communication loop in mice (2016)
  • Author(s): Myeong Jeong Choo, Riichiro Hira, Masanori Matsuzaki, Masanobu Kano, Kazuo Kitamura
  • Organizer: 第９３回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-22
• [Presentation] Differential learning-related changes in climbing fiber inputs to cerebellar stripes (2016)
  • Author(s): Shinichiro Tsutsumi, Naoki Hidaka, Yoshikazu Isomura, Masanori Matsuzaki, Kenji Sakimura, Masanobu Kano, Kazuo Kitamura
  • Organizer: 第９３回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-22
• [Presentation] Rational design of ultrafast, high-affinity red calcium indicator for monitoring neuronal activity (2015)
  • Author(s): M. INOUE, A. TAKEUCHI, S.-I. HORIGANE, H. FUJII, S. KAMIJO, S. TAKEMOTO-KIMURA, M. OHKURA, K. GENGYO-ANDO, M. KANO, J. NAKAI, K. KITAMURA, H. BITO
  • Organizer: Neuroscience 2015
  • Place of Presentation: McCormick Place Convention Center (Chicago, USA)
  • Year and Date: 2015-10-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In vivo光学イメージングと電気生理学の融合 (2015)
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Organizer: 第３８回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28
  • Invited
• [Presentation] Identification of complex spikes in two-photon recording of Purkinje cell calcium responses by machine learning and ROC analysis of the performance (2015)
  • Author(s): Huu Thien Hoang, Shinichiro Tsutsumi, Miki Hashizume, Okito Yamashita, Isao T. Tokuda, Masa-Aki Sato, Mitsuo Kawato, Masanobu Kano, Kazuo Kitamura, Keisuke Toyama
  • Organizer: 第３８回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28
• [Presentation] Rational design of a novel high-affinity, ultrafast, red calcium indicator R-CaMP2 (2015)
  • Author(s): Masatoshi Inoue, Atsuya Takeuchi, Shin-Ichiro Horigane, Masamichi Ohkura, Keiko Gengyo-Ando, Hajime Fujii, Satoshi Kamijo, Sayaka Takemoto-Kimura, Masanobu Kano, Junichi Nakai, Kazuo Kitamura, Haruhiko Bito
  • Organizer: 第３８回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28