マウス社会性ナビゲーションの多感覚仮想環境における再構成とその包括的理解

• Project Area: Systems Science of Bio-navigation
• Project/Area Number: 19H04942
• 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: Hokkaido University (2020); Institute of Physical and Chemical Research (2019)
• Principal Investigator: 佐藤 正晃 北海道大学, 医学研究院, 講師 (90518325)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000); Fiscal Year 2020: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2019: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• Keywords: バーチャルリアリティ / 二光子レーザー顕微鏡 / カルシウムイメージング / 社会行動 / 自閉症

Outline of Research at the Start

本研究は、マウスの社会性ナビゲーション行動を多感覚バーチャルリアリティ環境において再構成し、その行動を支える神経回路活動を二光子カルシウムイメージングで明らかにする。また自閉症モデルマウスがバーチャル社会行動と神経回路活動に異常を示すかどうか検証し、そのメカニズムを明らかにする。得られたデータの解析はデータ科学者との共同作業で行う。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、バーチャル空間内を探索するマウスの広視野カルシウムイメージングにより、行動状態依存的な大脳皮質ダイナミクスの解析を行った。皮質領野間の活動の相関を計算することにより、領野間の機能的結合を明らかにし、歩行状態から静止状態及びその逆の遷移に伴う機能的結合の変化を明らかにした。また自閉症モデルマウスを用いて同様の実験を行うことにより、正常マウスと自閉症モデルマウスの機能的皮質結合のパターンの違いを明らかにした。さらに、自由行動下で新規マウスと相互作用する社会行動を示すマウスの島皮質領域からヘッドマウント型蛍光顕微鏡を用いてカルシウムイメージングを行った。行動課題としてホームケージ実験とリニアチャンバー実験の２種類を用いた。この実験により、新規マウスと相互作用するときに活動が亢進する細胞群と抑制される細胞群の２つの新しい細胞群を見出した。活動が亢進する細胞群の一部は、相手マウスに接触する身体部位や社会相互作用中に自身が歩行しているか静止しているかという行動状態の違いに対して選択的な反応を示すことを明らかにした。リニアチャンバー実験では、両端のチャンバーに配置したマウスと物体の位置を入れ替えても、マウスの入っているチャンバーに選択的に反応する細胞群が同定できた。しかしチャンバーの絶対的な位置に反応する細胞はほとんど見られなかったことから、社会相互作用をコードする細胞は、場所とは関係なく社会行動に対して選択的に反応することが明らかとなった。

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] Encoding of social exploration by neural ensembles in the insular cortex (2020)
  • Author(s): Miura I, Sato M, Overton E, Kunori N, Nakai J, Kawamata T, Nakai N, Takumi T.
  • Journal Title: PLoS Biol. Volume: 18(9) Issue: 9 Pages: e3000584-e3000584
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.3000584
  • NAID: 120006894010
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Distinct Mechanisms of Over-Representation of Landmarks and Rewards in the Hippocampus (2020)
  • Author(s): Masaaki Sato, Kotaro Mizuta, Tanvir Islam, Masako Kawano, Yukiko Sekine, Takashi Takekawa, Daniel Gomez-Dominguez, Alexander Schmidt, Fred Wolf, Karam Kim, Hiroshi Yamakawa, Masamichi Ohkura, Min Goo Lee, Tomoki Fukai, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 32 Issue: 1 Pages: 107864-107864
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107864
  • NAID: 120006867158
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Imaging the Neural Circuit Basis of Social Behavior: Insights from Mouse and Human Studies (2020)
  • Author(s): MIURA Isamu、OVERTON Eric T.N.、NAKAI Nobuhiro、KAWAMATA Takakazu、SATO Masaaki、TAKUMI Toru
  • Journal Title: Neurologia medico-chirurgica Volume: 60 Issue: 9 Pages: 429-438
  • DOI: 10.2176/nmc.ra.2020-0088
  • NAID: 130007904775
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Astrocytes in Atp1a2‐deficient heterozygous mice exhibit hyperactivity after induction of cortical spreading depression (2020)
  • Author(s): Hiroki Sugimoto, Masaaki Sato, Junichi Nakai and Kiyoshi Kawakami
  • Journal Title: FEBS Open Bio Volume: in press Issue: 6 Pages: 1031-1043
  • DOI: 10.1002/2211-5463.12848
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An aspherical microlens assembly for deep brain fluorescence microendoscopy (2020)
  • Author(s): Masaaki Sato*, Shotaro Sano, Hiroki Watanabe, Yoko Kudo, Junichi Nakai
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: in press Issue: 2 Pages: 447-452
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.04.009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Wide and Deep Imaging of Neuronal Activities by a Wearable NeuroImager Reveals Premotor Activity in the Whole Motor Cortex (2019)
  • Author(s): Takuma Kobayashi, Tanvir Islam, Masaaki Sato, Masamichi Ohkura, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi & Hitoshi Okamoto
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 8366-8366
  • DOI: 10.1038/s41598-019-44146-x
  • 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
• [Presentation] 島皮質の神経細胞アンサンブルによる社会探索行動の符号化 (2021)
  • Author(s): 佐藤 正晃、三浦 勇、Overton Eric、九里 信夫、中井 淳一、川俣 貴一、中井 信裕、内匠 透
  • Organizer: 第94回日本薬理学会年会
• [Presentation] 島皮質の神経細胞集団による社会相互作用の符号化 (2021)
  • Author(s): 佐藤 正晃、三浦 勇、Overton Eric、九里 信夫、中井 淳一、川俣 貴一、中井 信裕、内匠 透
  • 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
• [Presentation] Minimum aberration deep brain fluorescence microendoscopy using a miniature aspherical lens assembly (2019)
  • Author(s): Masaaki Sato, Shotaro Sano, Hiroki Watanabe, Junichi Nakai
  • Organizer: Society for Neuroscience 49th annual meeting
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 社会行動に関わる脳細胞「ソーシャルセル」を同定
  • URL: https://www.kobe-u.ac.jp/research_at_kobe/NEWS/news/2020_09_23_01.html
• [Remarks] 脳内地図を細胞レベルで観察 －自閉症関連遺伝子Shank2はランドマーク情報に必須－
  • URL: https://www.riken.jp/press/2020/20200708_1/index.html
• [Remarks] 海馬の認知地図の形成メカニズムを解明
  • URL: http://navi-science.jp/newsletter-vol-5/#ib-toc-anchor-2