Extraction of "Individuality" projected by cell ensemble representations of cognitive information

• Project Area: Integrative research toward elucidation of generative brain systems for individuality
• Project/Area Number: 19H04899
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Dokkyo Medical University
• Principal Investigator: 大川 宜昭 獨協医科大学, 医学部, 准教授 (80416651)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2019: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 個性 / セル・アンサンブル / 海馬 / 認知 / 記憶

Outline of Research at the Start

我々は、新奇エピソード体験時に同期活動性で定義された複数の神経細胞集団（セル・アンサンブル）活動が脳内に出現することを明らかにした。そこで本研究課題では、エピソード体験時に出現するそれぞれのセル・アンサンブルとそこに対応する認知情報の対応付けを行ない、各動物個体間でのセル・アンサンブル活動の表現様式や認知情報の嗜好性の違いを抽出する。これによって、セル・アンサンブルによる認知情報の個性的脳内表現様式の存在を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

我々はこれまでに、新奇エピソード体験時に同期活動性で規定された複数の神経細胞集団（セル・アンサンブル）活動が脳内に出現することを明らかにし、これらのセル・アンサンブルによる協奏的な表現様式によって、記憶の全体像が脳内で表出されていることを提案するに至った。一方で、エピソード体験の記憶情報が、認知されセル・アンサンブルとして脳内で表現される機構は未だ不明である。細胞接着分子であるクラスター型プロトカドヘリン（Pcdhs）は、Pcdhα, β, and γ3つのサブグループから構成され、マウスでは58個のPcdhsが脳に発現する。各細胞には、それぞれ異なる組み合わせのPcdhsが発現し、これによって神経細胞間のシナプス結合が規定されていると考えられている。つまりPcdhsによって、個々の神経細胞に個性と繋がり方の多様性が与えられていると予想される。そこで我々は、セル・アンサンブルを介した認知の個性的脳内表現とPcdhsの多様性との関連について検討を行った。
今回我々は、Pcdhβ1-22、22個全てを欠損させたマウス（Δβ）でセル・アンサンブルによる新奇エピソード情報の海馬内表現様式を観察・解析した。すると、Δβマウスでは、1つのセル・アンサンブルを構成する細胞数が多く、加えて、それぞれの細胞が複数のセル・アンサンブルに含まれている確率が高いことが明らかとなった。またこれを反映して、Δβマウスは、2つの新奇空間を区別出来難いことが分かった。この結果は、多様な認知情報に対応できるよう脳の神経回路がPcdhsで規定されており、これによってセル・アンサンブルの多様性が保たれていることを示唆する。この多様性は、個性的な認知情報を表現する神経回路基盤の一つであると考えられる。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Pcdhb deficiency affects hippocampal CA1 ensemble activity and contextual fear discrimination (2020)
  • Author(s): Asai H, Ohkawa N, Saitoh Y, Ghandour K, Murayama E, Nishizono H, Matsuo M, Hirayama T, Kaneko R, Muramatsu S, Yagi T, Inokuchi K
  • Journal Title: Molecular Brai Volume: 13 Issue: 1 Pages: 7-7
  • DOI: 10.1186/s13041-020-0547-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Orchestrated ensemble activities constitute a hippocampal memory engram (2019)
  • Author(s): Khaled Ghandour, Noriaki Ohkawa, Chi Chung Alan Fung, Hirotaka Asai, Yoshito Saitoh, Takashi Takekawa, Reiko Okubo-Suzuki, Shingo Soya, Hirofumi Nishizono, Mina Matsuo, Makoto Osanai, Masaaki Sato, Masamichi Ohkura, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi, Takeshi Sakurai, Takashi Kitamura, Tomoki Fukai & Kaoru Inokuchi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Issue: 1 Pages: 2637-2637
  • DOI: 10.1038/s41467-019-10683-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Selective targeting of mRNA and the following protein synthesis of CaMKIIα at the long-term potentiation-induced site (2019)
  • Author(s): Nihonmatsu Itsuko#、Ohkawa Noriaki#,*、Saitoh Yoshito#、Okubo-Suzuki Reiko、Inokuchi Kaoru
  • Journal Title: Biology Open Volume: 9
  • DOI: 10.1242/bio.042861
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Powerful Homeostatic Control of Oligodendroglial Lineage by PDGFRα in Adult Brain (2019)
  • Author(s): Dang Thanh Chung、Ishii Yoko、Nguyen Van De、Yamamoto Seiji、Hamashima Takeru、Okuno Noriko、Nguyen Quang Linh、Sang Yang、Ohkawa Noriaki、Saitoh Yoshito、Shehata Mohammad、Takakura Nobuyuki、Fujimori Toshihiko、Inokuchi Kaoru、Mori Hisashi、Andrae Johanna、Betsholtz Christer、Sasahara Masakiyo
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 27 Issue: 4 Pages: 1073-1089.e5
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2019.03.084
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 部分としての複数の細胞亜集団活動が奏でるエピソード記憶の全体表現 (2021)
  • Author(s): 大川 宜昭
  • Organizer: 第126回日本解剖学会総会・全国学術集会 / 第98回日本生理学会大会 合同大会・シンポジウム：部分と全体学で中枢神経系の構造-機能連関の解明に挑む
• [Presentation] Pre-configured Ensembles are Recruited into Upcoming Hippocampal Engram (2020)
  • Author(s): Ghandour K., Ohkawa N., Fung C. A., Asai H., Saitoh Y., Takekawa T., Nishizono H., Sato M., Ohkura M., Nakai J., Hayashi Y., Fukai T., and Inokuchi K.
  • Organizer: The 43st Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [Presentation] 学習・記憶を担う海馬神経細胞集団の構築 (2020)
  • Author(s): 浅井 裕貴, 鈴木(大久保) 玲子, 金子 涼輔, 大川 宜昭, 斎藤 喜人, Ghandour Khaled, 村山 絵美, 西園 啓文, 松尾 美奈, 平山 晃斉, 村松 慎一, 八木 健, 井ノ口 馨
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] 記憶痕跡セル・アンサンブルが織りなすエピソード記憶の脳内表現様式 (2020)
  • Author(s): 大川 宜昭
  • Organizer: 第63回日本神経化学会大会・シンポジウム：記憶痕跡細胞の多様性と多能性
• [Presentation] Ca2+イメージングによる記憶情報の脳内表現様式の観察 (2020)
  • Author(s): 大川 宜昭
  • Organizer: "文部科学省新学術領域研究 学術研究支援基盤形成 先端モデル動物支援プラットフォーム 2019年度成果発表会（口演発表採択）, 大津, 2020年2月4-5日"
• [Presentation] Orchestrated ensemble activities constitute a hippocampal memory engram (2019)
  • Author(s): 大川 宜昭
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会・シンポジウム：Elucidation of biological functions by optical control，宮崎
  • Invited
• [Presentation] 光で記憶を見る・操作する (2019)
  • Author(s): 大川 宜昭
  • Organizer: 次世代薬理学セミナー 2019 in 那覇 (第72回日本薬理学会西南部会)
  • Invited
• [Presentation] Pre-configured Ensembles are Recruited into Upcoming Hippocampal Engram (2019)
  • Author(s): Ghandour K, Ohkawa N, Fung CCA, Asai H, Saitoh Y, Takekawa T, Nishizono H, Sato M, Ohkura M, Nakai J, Hayashi Y, Fukai T, Inokuchi K
  • Organizer: NEURO2019, 第42回日本神経科学大会/ 第62回日本神経化学会大会，新潟，2019年7月25-28日
• [Presentation] Involvement of the CA3 recurrent circuit in the memory consolidation and retrieval (2019)
  • Author(s): 野本 真順, 村山 絵美, 芳賀 達也, 大川 宜昭, 村松 慎一, 深井 朋樹, 井ノ口 馨
  • Organizer: NEURO2019, 第42回日本神経科学大会/ 第62回日本神経化学会大会，新潟，2019年7月25-28日
• [Presentation] Deletion of cPcdhs affects cell ensemble activities in the hippocampus (2019)
  • Author(s): 浅井 裕貴, 大川 宜昭, 斎藤 喜人, Ghandour K, 西園 啓文, 松尾 美奈, 平山 晃斉, 村松 慎一, 金子 涼輔, 八木 健, 井ノ口 馨
  • Organizer: NEURO2019, 第42回日本神経科学大会/ 第62回日本神経化学会大会，新潟，2019年7月25-28日
• [Presentation] Preconfigured ensembles are recruited into upcoming hippocampal engram (2019)
  • Author(s): Ghandour K, Ohkawa N, Fung CCA, Asai H, Saitoh Y, Takekawa T, Nishizono H, Sato M, Ohkura M, Nakai J, Hayashi Y, Fukai T, Inokuchi K
  • Organizer: The 18th Annual MCCS meeting, 2019. 10. 17, Chicago, IL, USA.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pcdhs modulate synchronous activity in the hippocampus (2019)
  • Author(s): ASAI H, OHKAWA N, GHANDOUR K, SAITOH Y, MATSUO M, NISHIZONO H, HIRAYAMA T, KANEKO R, MURAMATSU S-I, YAGI T, INOKUCHI K
  • Organizer: The 18th Annual MCCS meeting, 2019. 10. 17, Chicago, IL, USA.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Preconfigured ensembles are recruited into upcoming hippocampal engram (2019)
  • Author(s): Ghandour K, Ohkawa N, Fung CCA, Asai H, Saitoh Y, Takekawa T, Nishizono H, Sato M, Ohkura M, Nakai J, Hayashi Y, Fukai T, Inokuchi K
  • Organizer: Neuroscience 2019, Annual Meeting of Society for Neuroscience, 2019. 10. 19-23, San Diego, CA, USA.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pcdhs modulate synchronous activity in the hippocampus (2019)
  • Author(s): ASAI H, OHKAWA N, GHANDOUR K, SAITOH Y, MATSUO M, NISHIZONO H, HIRAYAMA T, KANEKO R, MURAMATSU S-I, YAGI T, INOKUCHI K
  • Organizer: Neuroscience 2019, Annual Meeting of Society for Neuroscience, 2019. 10. 19-23, San Diego, CA, USA.
  • Int'l Joint Research
• [Book] 脳内イメージングで解明する記憶の脳内表現 (2021)
  • Author(s): 大川 宜昭
  • Total Pages: 7
  • Publisher: 羊土社, 『マウス・ラットモデル作製・解析プロフェッショナル』編集・先端モデル動物支援プラットフォーム, 第3章 生理機能の解析, 221-227
• [Book] 脳深部Ca2+イメージングへの誘い (2020)
  • Author(s): 大川 宜昭, 竹川 高志, 野本 真順, 井ノ口 馨
  • Total Pages: 13
  • Publisher: 日本神経回路学会誌・特集：近年のin vivoイメージング, Vol. 27, No. 2: 74-86
• [Book] 光で記憶を見る・操作する (2020)
  • Author(s): 大川 宜昭
  • Total Pages: 5
  • Publisher: ニューサイエンス社、月刊「細胞」2月号・特集：光操作が拓く生体機能解、52(2) 12 - 16明への道
• [Remarks] 獨協医科大学 先端医科学研究センター 認知・記憶研究部門HP
  • URL: https://sites.google.com/view/ninchi-kioku
• [Remarks] 認知・記憶研究部門｜獨協医科大学HP
  • URL: https://www.dokkyomed.ac.jp/dmu/research/facility/advanced-medicine/cognition-memory.html
• [Remarks] 『個性創発脳』領域HP｜本領域公募研究代表者の大川宜昭博士、獨協医科大学 准教授に就任
  • URL: http://www.koseisouhatsu.jp/activity/release/20190717_inauguration/index.html
• [Remarks] 経験を記憶する新たな神経細胞集団を発見 ～睡眠中に記憶が定着する様子の観察にも成功～
  • URL: https://www.jst.go.jp/pr/announce/20190614/index.html