文脈依存的な行動シフトを実現する大脳皮質運動回路の解明

• Project Area: Mechanisms underlying the functional shift of brain neural circuitry for behavioral adaptation
• Project/Area Number: 15H01455
• 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: The University of Tokyo (2016); National Institute for Basic Biology (2015)
• Principal Investigator: 松崎 政紀 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (50353438)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2016: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2015: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 神経科学 / 運動野 / 行動 / ２光子イメージング

Outline of Annual Research Achievements

生物は、異なった文脈においても同じ行動を発現すべき時には同一運動を発現するが、大脳皮質局所回路（一次運動野、M1）の活動が異なった入力に対してどのように遷移してひとつの安定した出力を実現するかは不明である。これを明らかにするために本研究で、頭部固定マウスが内発性におよび外発性にレバーを引くオペラント課題を実行中に、３次元２光子カルシウムイメージングをM1で行う系を確立した。カルシウム感受性蛍光タンパク質遺伝子をコードするAAVをマウスM1に導入しその後、頭部固定したで右前肢レバー引き運動を内発性に、または外発性に行うことを2～3週間学習させた。内発性レバー引きと音誘発性レバー引きを1セッション内で入れ替えてもマウスが両文脈で速やかに反応できるように訓練した。課題実行中に２光子カルシウムイメージングをM1において３次元的に行い、2層から5b層までの細胞活動データを取得した。その結果、内発性選択的にまた音刺激選択的に活動を示す細胞があること、両方の条件で同様に活動する細胞があることがわかった。集団活動での内発性と音刺激選択性がどのようなダイナミクスを持っているのかを定量化するための統計数理解析法を開発した。また一次運動野へ強く入力する高次運動野(M2)においても同様のイメージングを可能とした。さらに、M1とM2の活動の同期的変化を捉えるために、独自に開発した視野回転装置を用いた高速視野切り替えを行うことで、M1とM2を連続してイメージングすることを可能とした。

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] Distinct functional modules for discrete and rhythmic forelimb movements in the mouse motor cortex. (2015)
  • Author(s): Hira R., Terada S., Kondo M., Matsuzaki M.
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Volume: 35 Issue: 39 Pages: 13311-13322
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2731-15.2015
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Long-term two-photon calcium imaging of neuronal populations with subcellular resolution in adult non-human primates. (2015)
  • Author(s): Sadakane O., Masamizu Y., Watakabe A., Terada S., Ohtsuka M., Takaji M., Mizukami H., Ozawa K., Kawasaki H., Matsuzaki M., Yamamori T.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 13 Issue: 9 Pages: 1989-1999
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2015.10.050
  • NAID: 120005829368
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 覚醒小動物での大脳イメージングと光操作 (2016)
  • Author(s): 松崎政紀
  • 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
  • Invited
• [Presentation] 大脳皮質運動野の神経活動の大規模光計測 (2016)
  • Author(s): 松崎政紀
  • 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: 2016-03-24
• [Presentation] Distinct thalamocortical activities in the primary motor cortex during voluntary movements (2016)
  • Author(s): Masanori Matsuzaki
  • Organizer: 新学術領域「適応回路シフト」国際シンポジウム
  • Place of Presentation: 同志社大学 室町キャンパス 寒梅館 ハーディーホール（京都府京都市）
  • Year and Date: 2016-03-04
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Dynamic representation of innate and learned movements in the motor cortex (2015)
  • Author(s): Masanori Matsuzaki
  • Organizer: 第7回光操作研究会 国際シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京医科歯科大学 鈴木章夫記念講堂（東京都文京区）
  • Year and Date: 2015-12-05
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] マーモセット脳の2光子イメージングと 光刺激に向けて (2015)
  • Author(s): 松崎政紀
  • 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: 2015-07-31
• [Presentation] 運動学習と神経オペラント条件付けにおける大脳運動野活動のダイナミクス (2015)
  • Author(s): 松崎政紀
  • Organizer: 第５４回日本生体医工学会大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2015-05-07
  • Invited
• [Patent(Industrial Property Rights)] 顕微鏡用光学モジュール、顕微鏡、顕微鏡用光学モジュール制御装置及び多光子励起顕微鏡 (2016)
  • Inventor(s): 松崎政紀、寺田晋一郎
  • Industrial Property Rights Holder: 松崎政紀、寺田晋一郎
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2016-07-28
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] 顕微鏡用光学モジュール、顕微鏡、顕微鏡用光学モジュール制御装置及び多光子励起顕微鏡 (2015)
  • Inventor(s): 松崎政紀、寺田晋一郎
  • Industrial Property Rights Holder: 松崎政紀、寺田晋一郎
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2015-184497
  • Filing Date: 2015-09-17