Association between microconnectomes and macro-brain images, and the application to mental-disease model animals.

• Project Area: Constructive understanding of multi-scale dynamism of neuropsychiatric disorders
• Project/Area Number: 19H05215
• 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: Kyoto University
• Principal Investigator: 下野 昌宣 京都大学, 医学研究科, 特定准教授 (30552137)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2019: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: マルチスケール / 精神疾患 / コネクトーム / モデル動物 / ネットワーク / 神経 / 脳 / 抑制性 / 多細胞 / 3Dスキャン / 因果性 / 抑制細胞 / 前頭前野 / 多電極計測

Outline of Research at the Start

本研究では精神疾患モデル動物のデータと健常動物のデータをマルチスケールに比較する事を目指している。本研究で用いる方法の第一の基盤は、申請者が米国において育成したマイクロコネクトームの実験-解析系であり、第二の基盤は、申請者が京都大学に異動した後に準備したマイクロコネクトームを全脳3D空間へと高精度に埋め込む手法である。これらの技術基盤の上で、本研究では、健常マウスと精神疾患モデルマウスの違いを脳領域の名前を超えて、脳領域内に埋め込まれている多細胞間の機能的なネットワークのトポロジーの相違としても特徴付ける。

Outline of Annual Research Achievements

令和元年度にBioRrxivに投稿した単一脳領域における研究が、長い査読を経て、令和2年度の末にPLOS Computational Biologyに受理された(4/8出版)。そのイラストは4月号の表紙を飾った。
また、疾患モデルマウスと健常マウスの5-10ペアからのデータ集積を行った。上記の解析方針を、疾患モデルマウスと健常マウスの比較分析を体系的な比較の目的に応用していっており、共同研究者の支援が引き続き得られれば、令和3年度で成果としてまとまるだろう。さらに、令和元年度に出版した埋め込み手法で、同一空間の中に統合したデータが70-80個以上(最終的に使えるデータだけで50個程度)に達してきており、他予算の支えの下で、今後、脳を細胞レベルで全体として理解する研究の発展が期待できる。
また、申請者の以前より続けていた翻訳本「脳のネットワーク」がみすず出版社から発刊され、研究分野の啓蒙に貢献すると考えられる。

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

• [Int'l Joint Research] 台湾/台湾中央大学(その他の国・地域)
• [Journal Article] Inhibitory neurons exhibit high controlling ability in the cortical microconnectome (2021)
  • Author(s): Kajiwara Motoki、Nomura Ritsuki、Goetze Felix、Kawabata Masanori、Isomura Yoshikazu、Akutsu Tatsuya、Shimono Masanori
  • Journal Title: PLOS Computational Biology Volume: 17
  • NAID: 120007026450
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Inhibitory neurons in somato-motor cortex are highly central and also show high controllability. (2020)
  • Author(s): Kajiwara, M., Goetze F., …,Akutsu T., Shimono M.
  • Journal Title: bioRxiv Volume: 1208 Pages: 954016-954016
  • DOI: 10.1101/2020.02.18.954016
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 3D Scanning Technology Bridging Microcircuits and Macroscale Brain Images in 3D Novel Embedding Overlapping Protocol. (2019)
  • Author(s): Ide, S., Kajiwara, M., Imai, H., & Shimono, M.
  • Journal Title: J. Vis. Exp. Volume: 147 Issue: 147
  • DOI: 10.3791/58911
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Inhibitory neurons locate at a center of effective cortical networks, and have high ability to control other neurons. (2020)
  • Author(s): M. Kajiwara, M. Shimono
  • Organizer: Organization for computational neuroscience 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neural Network embedding of real Neuronal Networks. (2020)
  • Author(s): T. Hase, M. Shimono
  • Organizer: NetSci-X 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neural network embedding of real neuronal networks [オーラル, 審査あり] (2020)
  • Author(s): Hase T., Shimono M.
  • Organizer: NetSciX 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Excitatory and Inhibitory Information flows on Micriconnectome (2019)
  • Author(s): Motoki Kajiwara, Felix Goetz, Akitoshi Seiyama, Masanori Shimono
  • Organizer: Neuro2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Basic topologies of E/I categorized microconnectome (2019)
  • Author(s): Motoki Kajiwara, Masanori Shimono
  • Organizer: 次世代脳シンポジウム
• [Book] 脳のネットワーク (2020)
  • Author(s): オラフ・スポーンズ、下野昌宣
  • Total Pages: 416
  • Publisher: みすず書房
  • ISBN: 9784622088844
• [Book] 脳のネットワーク (2020)
  • Author(s): オラフ スポーンズ著, 下野昌宣 訳
  • Total Pages: 408
  • Publisher: みすず書房
• [Remarks] Multi-Scale Neural Networks Laboratory
  • URL: http://shimono-u.net/
• [Remarks] 3Dスキャンを用いて異なるスケールの脳活動を連結する技術を開発
  • URL: http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2019/190513_2.html
• [Remarks] 3Dスキャンを用いて異なるスケールの脳活動を連結する技術
  • URL: https://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1906/25/news032.html
• [Remarks] Bridging scales of brain
  • URL: https://www.nationaltribune.com.au/bridging-scales-of-brain/
• [Remarks] Bridging scales of brain
  • URL: https://www.miragenews.com/bridging-scales-of-brain/
• [Remarks] 実験と理論とシミュレーション (シリーズ白眉対談)
  • URL: https://www.hakubi.kyoto-u.ac.jp/pub/267/315/2-3/2