Revealing neuronal network dynamics underlying behavioral phenotypes of psychiatric disorders by solving inverse problems

• Project Area: Constructive understanding of multi-scale dynamism of neuropsychiatric disorders
• Project/Area Number: 19H05224
• 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: Osaka City University (2020); Nagoya City University (2019)
• Principal Investigator: 竹内 雄一 大阪市立大学, 大学院医学研究科, 特任講師 (70588384)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2019: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 精神疾患 / 局所電場電位 / オシレーション / 逆問題 / 機械学習 / 統合失調症 / 薬物依存症 / 化学遺伝学 / 脳波

Outline of Research at the Start

統合失調症や薬物依存症などの精神疾患は、通常見られない行動により定義・診断されるが、何故異常な行動が生じるのかは分かっていない。そこで本研究では、まず精神疾患の行動表現型を説明するマクロスコピックな神経回路動態を、情報学的手法で同定・モデル化する。次に同定したマクロ回路動態を直接操作することで、マクロ回路動態と精神疾患の行動表現型との因果関係を明らかにする。さらに遺伝子やシナプスレベルの変化が、当該マクロ神経回路動態に与える影響を明らかにする。こうして精神疾患の行動表現型の発現機構を構成的に理解する。このストラテジーは主に動物実験およびin silicoシミュレーションで実施する。

Outline of Annual Research Achievements

統合失調症や薬物依存症などの精神疾患は、通常見られない特有の行動により定義・診断される。精神疾患には遺伝的な要因もあるが、何故遺伝子やそれに伴うシナプス伝達など下層の変化が精神疾患特有の行動表現型に至るのかは分かっていない。これは遺伝子やシナプスの階層と行動層との解離が大きく、論理的な仮説を設定しづらいためであると考えられる。この問題を解決するためには、行動層の直下にあるマクロスコピックな神経回路ダイナミクス（脳活動パターン）に注目して、その行動表現型との因果律を解明すると共に、当該脳活動パターンと下層との関係を解析する戦略が有効である可能性がある。そこで本研究では、まず精神疾患の行動表現型を説明する脳活動パターンを情報学的手法で同定・モデル化し、同定した脳活動を操作することで、脳活動パターンと精神疾患の行動表現型との因果関係を明らかにすることを第一の目的とした。さらに遺伝子・シナプス・メゾ回路層における変容が当該モデルに与える影響を定量化することで、精神疾患の行動表現型が発現するメカニズムの構成的理解を目指す。初年度は、まず精神疾患症状様行動のモデルとしてラットに文脈・感覚入力依存的に意思決定を行わせるオペラントタスクを確立し、当該タスクを実行中の脳活動から行動選択特異的なパターンを機械学習を用いて抽出する技術を確立した。その成果を受け、最終はさらに以下の項目を達成した。

1. 遺伝子・シナプス層変容のモデルとして、統合失調症・薬物依存症モデルラットを導入した。
2. 当該疾患モデルにおいて、上記タスク実行中の多脳領域脳活動（電気生理）記録を行った。
3. 取得した脳活動記録から、疾患症状および行動選択特異的なパターンを抽出・モデル化した。
4. 抽出・モデル化した脳活動パターンに化学遺伝学的に介入することで、当該パターンと疾患表現型との因果関係を証明した。

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

• [Int'l Joint Research] セゲド大学(ハンガリー)
• [Int'l Joint Research] ニューヨーク大学/デューク大学/ハーバード大学(米国)
• [Int'l Joint Research] シンガポール国立大学(シンガポール)
• [Int'l Joint Research] セゲド大学(ハンガリー)
• [Int'l Joint Research] ニューヨーク大学/ハーバード大学/デューク大学(米国)
• [Int'l Joint Research] シンガポール国立大学(シンガポール)
• [Journal Article] Closed-loop stimulation of the medial septum terminates epileptic seizures (2021)
  • Author(s): Takeuchi Y, Harangozo M, Pedraza L, Foldi T, Kozak G, Li Q, Berenyi A
  • Journal Title: Brain Volume: 114 Issue: 3 Pages: 885-908
  • DOI: 10.1093/brain/awaa450
  • NAID: 130008001593
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a neural probe integrated with high-efficiency MicroLEDs for in vivo application (2020)
  • Author(s): Yasunaga H, Takagi T, Shinko D, Nakayama Y, Takeuchi Y, Nishikawa A, Loesing A, Ohsawa M, Sekiguchi H
  • Journal Title: Jpn J Appl Phys Volume: 60 Issue: 1 Pages: 16503-16503
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abcffa
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Oscillotherapeutics - Time-targeted interventions in epilepsy and beyond (2020)
  • Author(s): Takeuchi Y, Berenyi A
  • Journal Title: Neurosci Res Volume: 152 Pages: 87-107
  • DOI: 10.1016/j.neures.2020.01.002
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Closed-loop stimulation of the medial septum terminates epileptic seizures (2020)
  • Author(s): Takeuchi Y, Harangozo M, Pedraza L, Foldi T, Kozak G, Berenyi A
  • Journal Title: bioRxiv Volume: 3
  • DOI: 10.1101/2020.03.09.982827
  • NAID: 130008001593
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tonic GABAergic inhibition is essential for nerve injury-induced afferent remodeling in the somatosensory thalamus and associated ectopic sensations (2020)
  • Author(s): Nagumo Y, Ueta Y, Nakayama H, Osaki H, Takeuchi Y, Uesaka N, Kano M, Miyata M
  • Journal Title: Cell Rep Volume: 31 Issue: 12 Pages: 107797-107797
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107797
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The metabotropic glutamate receptor subtype 1 regulates development and maintenance of lemniscal synaptic connectivity in the somatosensory thalamus (2019)
  • Author(s): Narushima M, Yagasaki Y, Takeuchi Y, Aiba A, Miyata M
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 14 Issue: 12 Pages: 820-820
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0226820
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A collagen-coated PGA conduit for interpositional-jump graft with end-to-side neurorrhaphy for treating facial nerve paralysis in rat (2018)
  • Author(s): Niimi Yosuke、Matsumine Hajime、Takeuchi Yuichi、Osaki Hironobu、Tsunoda Satoshi、Miyata Mariko、Yamato Masayuki、Sakurai Hiroyuki
  • Journal Title: Microsurgery Volume: Epub ahead of print Issue: 1 Pages: 70-80
  • DOI: 10.1002/micr.30291
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Closed-loop stimulation of the medial septum terminates epileptic seizures (2021)
  • Author(s): Takeuchi Y
  • Organizer: The 94th Annual Meeting of the Japan Pharmacological Society
• [Presentation] Closed-loop brain stimulation for epileptic seizures and beyond (2021)
  • Author(s): Takeuchi Y
  • Organizer: The 98th Annual Meeting of the Physiological Society of Japan
• [Presentation] The metabotropic glutamate receptor subtype 1 regulates development and maintenance of lemniscal synaptic connectivity through cortical activity in the somatosensory thalamus (2020)
  • Author(s): Narushima M, Yagasaki Y, Takeuchi Y, Aiba A, Miyata M
  • Organizer: FENS Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Controlling fear expression through closed-loop intervention: Sharp-waves ripples triggering medial forebrain bundle stimulation enhance extinction and induce long-lasting fear attenuation (2020)
  • Author(s): Pedraza L, Sierra R, Takeuchi Y, Kozak G, Peijin A, Berenyi A
  • Organizer: FENS Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Controlling fear expression through closed-loop intervention: Sharp-waves ripples triggering medial forebrain bundle stimulation enhance extinction and induce long-lasting fear attenuation (2020)
  • Author(s): Pedraza L, Sierra R, Takeuchi Y, Kozak G, Peijin A, Berenyi A
  • Organizer: The 43rd Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [Presentation] On-demand interventions of epileptic seizures and beyond (2020)
  • Author(s): Takeuchi Y
  • Organizer: The 43rd Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [Presentation] Closed-loop stimulation of the medial septum terminates epilepsy seizures in rats (2020)
  • Author(s): Takeuchi Y, Harangozo M, Pedraza L, Foldi T, Kozak G, Berenyi A
  • Organizer: The 93th Annual Meeting of the Japan Pharmacological Society
• [Presentation] 時空間特異的な脳活動介入によるてんかんの制御 (2020)
  • Author(s): 竹内雄一
  • Organizer: 第29回神経行動薬理学若手研究者の集い
• [Presentation] A closed-loop proxy-intervention of epileptic seizures (2020)
  • Author(s): Takeuchi Y, Harangozo M, Pedraza L, Foldi T, Kozak G, Berenyi A
  • Organizer: IBRO Workshop 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The functional role of altered olfactory network synchrony in the development of depression (2020)
  • Author(s): Li Q, Takeuchi Y, Kozak G, Ohsawa M, Harangozo M, Berenyi A
  • Organizer: IBRO Workshop 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Closed-loop manipulation of hippocampal ripples reduce persistent fear expression in animal model of posttraumatic-stress disorder (2020)
  • Author(s): Pedraza L, Sierra R, Takeuchi Y, Kozak G, Peijin A, Barcsai L, Berenyi A
  • Organizer: IBRO Workshop 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Coding of self-motion-induced and self-independent visual motion in the rat dorsomedial striatum (2020)
  • Author(s): Nagy A, Takeuchi Y, Berenyi A
  • Organizer: IBRO Workshop 2020
  • Int'l Joint Research
• [Book] タウ・バイオロジー（細胞 2021.1） (2021)
  • Author(s): 竹内雄一（分担執筆）
  • Total Pages: 68
  • Publisher: 北隆館
• [Book] 神経難病の治療開発update（BIO Clinica 2020.8） (2020)
  • Author(s): 竹内雄一（分担執筆）
  • Total Pages: 106
  • Publisher: 北隆館
• [Book] てんかんの進歩（Medical Science Digest 2020.2） (2020)
  • Author(s): 竹内雄一（分担執筆）
  • Total Pages: 60
  • Publisher: 北隆館
• [Book] 神経精神疾患のイメージング（Medical Science Digest 2020.6） (2020)
  • Author(s): 竹内雄一（分担執筆）
  • Total Pages: 88
  • Publisher: 北隆館
• [Remarks] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/ytake/
• [Remarks] 個人ホームページ
  • URL: https://ytake.org/
• [Funded Workshop] Symposium: Cutting-edge closed-loop and non-invasive brain stimulation technologies for neurological and psychiatric disorders (2020)