恐怖記憶の獲得・固定・想起・消去の基盤となる神経ダイナミクスの解明

• Project Area: Constructive understanding of multi-scale dynamism of neuropsychiatric disorders
• Project/Area Number: 19H05225
• 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
• Principal Investigator: 水関 健司 大阪市立大学, 大学院医学研究科, 教授 (80344448)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2020: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: 恐怖記憶 / 恐怖条件付け / 海馬 / 扁桃体 / 前頭前野 / 記憶固定化 / セル・アセンブリ / 心的外傷後ストレス障害 / 外傷後ストレス障害 / 腹側海馬

Outline of Research at the Start

恐怖記憶の形成や消去には、扁桃体、腹側海馬、前頭前野などが関わるが、どのような脳領域間・神経細胞間のネットワークダイナミクスが恐怖記憶の獲得・固定・想起・消去の一連の過程に関わるのかは不明である。本研究は多脳領域同時・大規模電気生理学計測を使って、恐怖記憶の形成前から消去後まで連続して扁桃体、腹側海馬、前頭前野からそれぞれ約100個の神経細胞の活動を記録し、恐怖記憶の獲得・固定・想起・消去の基盤となる神経ネットワークの時間的・空間的ダイナミクスの全貌を明らかにすることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

恐怖記憶には扁桃体・前頭前野・腹側海馬などの領域が関わる。しかし、どのような脳領域間のネットワークダイナミクスが恐怖記憶の獲得・固定・想起・消去の一連の過程に関わるのかは不明である。本研究は多脳領域同時・大規模電気生理学計測を使って、恐怖条件付けによる恐怖記憶の形成前から消去後まで連続して、ラットの扁桃体・前頭前野・腹側海馬から神経細胞の活動を記録し、恐怖記憶の獲得・固定・想起・消去の基盤となる神経ネットワークの時間的・空間的ダイナミクスを明らかにすることを目指した。
恐怖条件付けの実験で従来使われている床から足底への電気ショックは大きな電気ノイズを生じるため、電気生理学記録との併用が難しい。そこで、眼瞼内に留置した電極からの電気パルスを嫌悪刺激としてノイズを低減し、電気生理学的記録と恐怖条件付けを併用する技術を確立した。この技術を使い、扁桃体・前頭前野・腹側海馬の３領域からそれぞれ100個の神経細胞の活動を同時に、恐怖記憶の獲得・固定・想起・消去の全過程を通して、電気生理学的に連続記録する実験系を確立した。加えて、心電図・筋電図・頭部加速度などの生理学的反応を測定し、恐怖の程度を定量する方法を確立した。
さらに、主成分分析や独立成分分析を使ったポピュレーションレベルでの神経活動の解析法を開発し、個々の細胞による恐怖表現の神経発火列の特徴抽出にとどまらず、複数の脳領域におけるセル・アセンブリを検出し、領域をまたいだセル・アセンブリ同士の相互作用を解析した。その結果、恐怖条件付けの際に扁桃体・前頭前野・腹側海馬のそれぞれの領域で活動したセル・アセンブリが記憶獲得後の睡眠中に同期して活動すること、記憶の定着に伴い同期活動が変化していくこと、150 Hzほどの早い脳波振動時にセル・アセンブリの領域横断的な同期活動が起こることを見出した。

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] Norwegian Univ of Science and Tech(ノルウェー)
• [Int'l Joint Research] NIMH/NIH/DHHS(米国)
• [Int'l Joint Research] Julich Research Centree/RWTH Aachen University(ドイツ)
• [Journal Article] Robust information routing by dorsal subiculum neurons (2021)
  • Author(s): Kitanishi Takuma、Umaba Ryoko、Mizuseki Kenji
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Issue: 11 Pages: eabf1913
  • DOI: 10.1126/sciadv.abf1913
  • NAID: 120006989988
  • URL: https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2020470
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Monosynaptic connection from the subiculum to medial mammillary nucleus neurons projecting to the anterior thalamus and Gudden’s ventral tegmental nucleus (2021)
  • Author(s): Umaba Ryoko、Kitanishi Takuma、Mizuseki Kenji
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: - Pages: 1-8
  • DOI: 10.1016/j.neures.2021.01.006
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Oscillation-Driven Memory Encoding, Maintenance, and Recall in an Entorhinal-Hippocampal Circuit Model (2021)
  • Author(s): Tomoki Kurikawa, Kenji Mizuseki, Tomoki Fukai
  • Journal Title: Cerebral Cortex Volume: 31 Issue: 4 Pages: 2038-2057
  • DOI: 10.1093/cercor/bhaa343
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cell type, sub-region, and layer-specific speed representation in the hippocampal?entorhinal circuit (2020)
  • Author(s): Iwase Motosada、Kitanishi Takuma、Mizuseki Kenji
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 1-23
  • DOI: 10.1038/s41598-020-58194-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Entorhinal Layer II Calbindin-Expressing Neurons Originate Widespread Telencephalic and Intrinsic Projections (2019)
  • Author(s): Ohara Shinya、Gianatti Michele、Itou Kazuki、Berndtsson Christin H.、Doan Thanh P.、Kitanishi Takuma、Mizuseki Kenji、Iijima Toshio、Tsutsui Ken-Ichiro、Witter Menno P.
  • Journal Title: Frontiers in Systems Neuroscience Volume: 13 Pages: 54-54
  • DOI: 10.3389/fnsys.2019.00054
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reconstructing neuronal circuitry from parallel spike trains (2019)
  • Author(s): Kobayashi Ryota、Kurita Shuhei、Kurth Anno、Kitano Katsunori、Mizuseki Kenji、Diesmann Markus、Richmond Barry J.、Shinomoto Shigeru
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Issue: 1 Pages: 4468-4468
  • DOI: 10.1038/s41467-019-12225-2
  • NAID: 120006728081
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mental fatigue is linked with attentional bias for sad stimuli (2019)
  • Author(s): Watanabe Kyosuke、Sasaki Akihiro T.、Tajima Kanako、Mizuseki Kenji、Mizuno Kei、Watanabe Yasuyoshi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1038/s41598-019-45428-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] PET imaging of 11C-labeled coenzyme Q10: Comparison of biodistribution between [11C]ubiquinol-10 and [11C]ubiquinone-10. (2019)
  • Author(s): Watanabe K, Nozaki S, Goto M, Kaneko KI, Hayashinaka E, Irie S, Nishiyama A, Kasai K, Fujii K, Wada Y, Mizuno K, Mizuseki K, Doi H, Watanabe Y.
  • Journal Title: Biochem Biophys Res Commun Volume: － Issue: 3 Pages: 611-615
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2019.03.073
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oscillation-driven memory encoding, maintenance and recall in an entorhinal-hippocampal circuit model (2019)
  • Author(s): Kurikawa Tomoki、Mizuseki Kenji、Fukai Tomoki
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/804062
  • Open Access
• [Journal Article] Hippocampal Information Processing and Homeostatic Regulation During REM and Non-REM Sleep (2019)
  • Author(s): Mizuseki Kenji, Miyawaki Hiroyuki
  • Journal Title: Handbook of Behavioral Neuroscience Volume: 30 Pages: 49-62
  • DOI: 10.1016/b978-0-12-813743-7.00004-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The subiculum: Unique hippocampal hub and more (2018)
  • Author(s): Matsumoto Nobuyoshi、Kitanishi Takuma、Mizuseki Kenji
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: 143 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1016/j.neures.2018.08.002
  • NAID: 120006866799
  • URL: https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2020118
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 海馬台からの投射先特異的な情報分配メカニズム (2021)
  • Author(s): 水関健司
  • Organizer: 第98回日本生理学会大会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] インビボ大規模電気生理学 (2020)
  • Author(s): 水関健司
  • Organizer: 文部科学省新学術領域研究「マルチスケール精神病態の構成的理解」 第３回若手育成セミナー「神経回路の可視化・操作・モデリングのための最先端技術」
  • Invited
• [Presentation] Robust information routing by dorsal subiculum neurons (2020)
  • Author(s): Kenji Mizuseki
  • Organizer: Kumamoto University Program for Leading Graduate Schools: HIGO program cutting-edge seminar
  • Invited
• [Presentation] Robust information routing by dorsal subiculum neurons (2020)
  • Author(s): Kenji Mizuseki
  • Organizer: The 43rd Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 大規模電気生理学と光遺伝学を用いた海馬の情報処理機構の解明 (2020)
  • Author(s): 水関健司
  • Organizer: 第10回 アルツハイマー病とてんかんを考える会 ～基礎から臨床まで～
  • Invited
• [Presentation] Global and local neuronal dynamics underling fear memory (2019)
  • Author(s): Kenji Mizuseki
  • Organizer: MEXT Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas FY2019-2022 Constructive understanding of multi-scale dynamism of neuropsychiatric disorders
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Pathway-specific information processing in the subiculum across sleep/wake cycles (2019)
  • Author(s): Kenji Mizuseki
  • Organizer: Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society, Symposium “Brain-state dynamics underlying consciousness and cognition”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Pathway-specific information outflow from the subiculum (2019)
  • Author(s): Takuma Kitanishi, Ryoko Umaba, Kenji Mizuseki
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evolution of fear memory representation in local and global circuits (2019)
  • Author(s): Hiroyuki Miyawaki, Kenji Mizuseki
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] “Speed representation in the hippocampal-entorhinal circuit” specific to cell-type, sub-region, and layer. ” (2019)
  • Author(s): 岩瀬元貞、北西卓磨、水関健司
  • Organizer: 第42回日本神経科学学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Information processing of the ventral tegmental area neurons in reward-based decision-making (2019)
  • Author(s): 松本秀之、水関健司
  • Organizer: 第42回日本神経科学学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Global and local neuronal dynamics underlying fear memory (2019)
  • Author(s): 宮脇寛行、水関健司
  • Organizer: 第42回日本神経科学学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Target-specific distribution of projection neurons and postsynaptic targets of the subiculum (2019)
  • Author(s): 馬場良子、北西卓磨、水関健司
  • Organizer: 第42回日本神経科学学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pathway-specific information outflow from the subiculum (2019)
  • Author(s): 北西卓磨、馬場良子、水関健司
  • Organizer: 次世代脳プロジェクト冬のシンポジウム
• [Presentation] Information processing of the ventral tegmental area neurons in reward-based decision-making (2019)
  • Author(s): 松本秀之、水関健司
  • Organizer: 次世代脳プロジェクト冬のシンポジウム
• [Presentation] Evolution of fear memory representation in local and global circuits (2019)
  • Author(s): 宮脇寛行、水関健司
  • Organizer: 次世代脳プロジェクト冬のシンポジウム
• [Presentation] Pathway-specific information outflow from the subiculum (2019)
  • Author(s): 北西卓磨、馬場良子、水関健司
  • Organizer: 新学術領域「脳情報動態」領域会議
• [Presentation] 大規模計測と光遺伝学を用いた海馬の領域間情報伝達の解明 (2019)
  • Author(s): 水関健司
  • Organizer: 第18回 関西バイオ創薬研究会
  • Invited
• [Presentation] 大規模電気生理学と光遺伝学を用いた海馬の情報処理機構の解明 (2019)
  • Author(s): 水関健司
  • Organizer: 理化学研究所 生命機能科学研究センター 生体イメージングサイエンスセミナー
  • Invited
• [Presentation] 恐怖記憶の獲得・固定・想起・消去の基盤となる神経ダイナミクス (2019)
  • Author(s): 水関健司
  • Organizer: 大阪大学蛋白質研究所セミナー 精神疾患の分子・回路病態研究の最前線
  • Invited
• [Presentation] Pathway-specific information outflow from the subiculum (2019)
  • Author(s): Kenji Mizuseki
  • Organizer: New York University, Professor Gyuri Buzsaki’s 70th Birthday seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 大阪市立大学大学院医学研究科 神経生理学 水関研究室
  • URL: http://www.med.osaka-cu.ac.jp/physiology2/index.html
• [Remarks] 大阪市立大学大学院医学研究科 神経生理学 水関研究室
  • URL: http://www.med.osaka-cu.ac.jp/physiology2/index.html