Search for neural mechanisms underlying concept formation and meta-cognition in rodents

• Project Area: Studies of Language Evolution for Co-creative Human Communication
• Project/Area Number: 20H05020
• 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: Doshisha University
• Principal Investigator: 櫻井 芳雄 同志社大学, 脳科学研究科, 教授 (60153962)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2020: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 概念形成 / メタ認知 / 神経回路 / セル・アセンブリ / ラット / 概念 / 神経細胞集団 / げっ歯類 / 言語

Outline of Research at the Start

本研究は、齧歯類における概念形成とメタ認知を同異概念と知覚モニタリングに焦点を当て検出し、それらの機能を担う脳内メカニズムを明らかにすることを目的とする。そして言語の進化と起源を認知神経科学的に解明することをめざす。
まず行動訓練と電気生理学により、同異弁別課題と知覚モニタリング課題遂行中のラットから神経細胞集団の活動を同時記録し、特異的な活動を示す神経細胞集団と脳領野、および脳領野間の相互作用を明らかにする。また光遺伝学により、それら神経細胞集団の機能的役割を因果的に明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

当該年度は下記の大きな成果を得ることができた。
１．齧歯類のメタ認知を調べるため開発した知覚モニタリング課題（視覚刺激検出課題）を遂行中のラットの一次視覚野（V1）と後部頭頂皮質（PPC）からニューロン集団の活動を同時記録した。記録した多数のニューロンの活動を主成分分析（PCA）等の多様な方法で解析したところ、V1の視覚応答性細胞が活動してもラットは光刺激を見逃すことがあった。また、V１とPPCに存在する視覚非応答性細胞が神経細胞集団の活動状態の変動（state fluctuation）に関わっており、V1におけるそのような活動状態の変動と刺激提示のタイミングが、視覚的メタ認知に基づく意思決定にバイアスをかけることがわかった。つまり視覚的メタ認知には特定の脳部位（責任部位）や神経回路が関わっているのではなく、視覚皮質の異なる部位にまたがる感覚性および非感覚性のニューロン集団によるダイナミックな活動が関与していることがわかった。
２．意図共有の下位機能と考えられる観察学習を行っているラットの内側前頭前野を、他個体の学習行動を観察しているタイミングで電気刺激し撹乱すると、観察学習が阻害されることがわかった。このような阻害効果は、他個体の学習行動を観察しているタイミング以外で内側前頭前野を電気刺激したり、観察しているタイミングで海馬を電気刺激しても起こらなかった。これらの結果から、観察学習に内側前頭前野が選択的に関わっていることが明らかになった。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Over-representation of fundamental decision variables in the prefrontal cortex underlies decision bias (2021)
  • Author(s): Ohnuki Tomoya、Osako Yuma、Manabe Hiroyuki、Sakurai Yoshio、Hirokawa Junya
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: 173 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1016/j.neures.2021.07.002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hippocampal CA1 Neurons Represent Positive Feedback During the Learning Process of an Associative Memory Task (2021)
  • Author(s): Takamiya Shogo、Shiotani Kazuki、Ohnuki Tomoya、Osako Yuma、Tanisumi Yuta、Yuki Shoko、Manabe Hiroyuki、Hirokawa Junya、Sakurai Yoshio
  • Journal Title: Frontiers in Systems Neuroscience Volume: 15 (71869) Pages: 1-8
  • DOI: 10.3389/fnsys.2021.718619
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Medial prefrontal cortex stimulation disrupts observational learning in Barnes maze in rats (2021)
  • Author(s): Yamada Motoki、Sakurai Yoshio
  • Journal Title: Cognitive Neurodynamics Volume: 16 Issue: 2 Pages: 497-505
  • DOI: 10.1007/s11571-021-09715-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Contribution of non-sensory neurons in visual cortical areas to visually guided decisions in the rat (2021)
  • Author(s): Yuma Osako, Tomoya Ohnuki, Yuta Tanisumi, Kazuki Shiotani, Hiroyuki Manabe, Yoshio Sakurai, Junya Hirokawa
  • Journal Title: Current Biology Volume: - Issue: 13 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1016/j.cub.2021.03.099
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Contribution of the prefrontal cortex and basolateral amygdala to behavioral decision making under reward/punishment conflict (2020)
  • Author(s): Ishikawa, J., Sakurai, Y., Ishikawa, A. and Mitsushima, D.
  • Journal Title: Psychopharmacology Volume: 237 Issue: 3 Pages: 639-654
  • DOI: 10.1007/s00213-019-05398-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Left-right functional difference of the rat dorsal hippocampus for short-term memory and long-term memory (2020)
  • Author(s): Sakaguchi, Y. and Sakurai, Y.
  • Journal Title: Behavioural Brain Research Volume: 382 Pages: 112478-112478
  • DOI: 10.1016/j.bbr.2020.112478
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic coordination of the perirhinal cortical neurons supports coherent representations between task epochs (2020)
  • Author(s): Tomoya Ohnuki, Yuma Osako, Hiroyuki Manabe, Yoshio Sakurai, Junya Hirokawa
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 3 Issue: 1 Pages: 464-464
  • DOI: 10.1038/s42003-020-01129-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tuning of olfactory cortex ventral tenia tecta neurons to distinct task elements of goal-directed behavior (2020)
  • Author(s): Shiotani Kazuki、Tanisumi Yuta、Murata Koshi、Hirokawa Junya、Sakurai Yoshio、Manabe Hiroyuki
  • Journal Title: eLife Volume: 9 Pages: 1-1
  • DOI: 10.7554/elife.57268
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] State representation of non-sensory neuron in the visual cortical area. (2021)
  • Author(s): Osako, Y., Ohnuki, T., Tanisumi, Y., Shiotani, K., Manabe, H., Sakurai, Y. and Hirokawa, J.
  • Organizer: 51st Society for Neuroscience Annual Meeting, Online (Chicago, 米国)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a new metacognitive task for rats. (2021)
  • Author(s): 結城笙子・櫻井芳雄・柳原大
  • Organizer: 第81回日本動物心理学会（オンライン方式）
• [Presentation] Dynamic recruitment of functional clusters in orbitofrontal cortex during a complex decision-making task． (2021)
  • Author(s): 大貫朋哉・大迫優真・塩谷和基・谷隅勇太・眞部寛之・櫻井芳雄・廣川純也
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] Significant contributions of non-sensory neurons to visually-guided decision-making in the visualcortical area． (2021)
  • Author(s): 大迫優真・大貫朋哉・塩谷和基・谷隅勇太・眞部寛之・櫻井芳雄・廣川純也
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] Dynamical changes in hippocampal CA1 neuron activity in response to learning. (2021)
  • Author(s): 高宮渉吾・結城笙子・眞部寛之・廣川純也・櫻井芳雄
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] Structured and cell-type-specific encoding of decision variables in orbitofrontal cortex. (2020)
  • Author(s): Hirokawa J., Vaughan A., Masset P., Ott T., Kepecs A.
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会（動画配信方式）
• [Presentation] 風味弁別に内側前頭前野が重要な役割を果たす． (2020)
  • Author(s): 塩谷和基・谷隅勇太・廣川純也・櫻井芳雄・眞部寛之
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会（動画配信方式）
• [Presentation] 嗅皮質亜領域ごとに異なる、匂い－行動シーン応答． (2020)
  • Author(s): 谷隅勇太・塩谷和基・廣川純也・櫻井芳雄・眞部寛之
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会（動画配信方式）
• [Presentation] 選択方向の神経表象は嗅周皮質における神経細胞の動的協調によってイベント間で保持される． (2020)
  • Author(s): 大貫朋哉・大迫優真・櫻井芳雄・廣川純也
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会（動画配信方式）
• [Presentation] ラット視覚皮質における内的な感覚状態のポピュレーション表現． (2020)
  • Author(s): 大迫優真・大貫朋哉・眞部寛之・櫻井芳雄・廣川純也
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会（動画配信方式）
• [Remarks] 同志社大学脳科学研究科神経回路情報部門（櫻井ラボ）
  • URL: https://www1.doshisha.ac.jp/~ysakurai/