Dynamic neural states for sensorimotor transformation in rodent parietal cortex

• Project Area: Brain information dynamics underlying multi-area interconnectivity and parallel processing
• Project/Area Number: 20H05053
• 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: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: 礒村 宜和 東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 教授 (00415077)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2021: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 感覚-運動変換 / 大脳皮質 / 動的状態 / 感覚運動変換 / ラット / げっ歯類

Outline of Research at the Start

脳の働きの本質は、外界の情報を入力し（感覚）、さまざまな情報処理を施して、生存に適する行動の情報を出力する（運動）ことである。げっ歯類では、この感覚-運動変換に後頭頂皮質PPCが関与する可能性が示唆されている。そこで本研究では、視覚性二段階反応課題を遂行するラットの後頭頂皮質や周辺領域の神経活動の動的状態が、微弱な感覚入力に基づく行動発現を左右する仕組みを生理学的および光遺伝学的手法をもちいて解明することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、げっ歯類が感覚情報を運動情報に変換する過程（感覚-運動変換）を調節する大脳皮質の動態を理解するために、頭頂連合野（特に後頭頂皮質PPC）の神経細胞群がどのような動的状態のときに感覚-運動変換の成否を分けるのかを解明することを目的とした。そのため、ラットに視覚刺激に応える運動発現が大脳の動的状態に左右されうる行動課題（視覚性二段階反応課題）を確立し、後頭頂皮質を含む複数の大脳皮質領域における多数の神経細胞のスパイク活動と局所フィールド電位（LFP）活動を同時に計測した。そして弱い視覚刺激で運動反応が発現するときとしないときの後頭頂皮質のスパイク活動やLFP活動の動的状態を比較評価した。この課題デザインにより、神経細胞のスパイク活動が感覚性か運動性かを区別でき、同一強度の感覚刺激に対する運動反応の成と否を分ける大脳の動的状態を比較解析することを可能とした（Kawabata et al. 日本神経科学大会2021）。スパイク解析には、前年度に確立した感覚入力と運動出力のタイミングと発火活動の関連性を客観的に評価するPhase-Scaling解析法も適用した（Kawabata et al. J Neurophysiol 2020）。また、この計測実験の過程で我々が独自に開発した光遺伝学的な記録細胞の投射先同定技術Multi-Lincを改良し導入した（Hamada et al. Comm Biol 2021; Mitani, Kawabata et al. 投稿中）。
その後、神経細胞間の高次相関の動態やデコーディングによる行動予測などの指標により大脳皮質の動的状態を評価する計画であったところ、研究代表者が応募した学術変革領域研究Aの研究領域が採択されたため、本研究課題は重複受給制限のために廃止することとなった。研究協力者：川端政則（東京医科歯科大学・助教）

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] An engineered channelrhodopsin optimized for axon terminal activation and circuit mapping (2021)
  • Author(s): Hamada Shun、Nagase Masashi、Yoshizawa Tomohiko、Hagiwara Akari、Isomura Yoshikazu、Watabe Ayako M.、Ohtsuka Toshihisa
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 4 Issue: 1 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1038/s42003-021-01977-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Automated and parallelized spike collision tests to identify spike signal projections (2021)
  • Author(s): Mitani Keita、Kawabata Masanori、Isomura Yoshikazu、Sakai Yutaka
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2021.10.21.465238
  • Open Access
• [Journal Article] A spike analysis method for characterizing neurons based on phase locking and scaling to the interval between two behavioral events (2020)
  • Author(s): Kawabata Masanori、Soma Shogo、Saiki-Ishikawa Akiko、Nonomura Satoshi、Yoshida Junichi、R?os Alain、Sakai Yutaka、Isomura Yoshikazu
  • Journal Title: Journal of Neurophysiology Volume: 124 Issue: 6 Pages: 1923-1941
  • DOI: 10.1152/jn.00200.2020
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrophysiological Effects of Transcranial Direct Current Stimulation on Neural Activity in the Rat Cortex (2020)
  • Author(s): Tomoko Tanaka, Yoshikazu Isomura, Kazuto Kobayashi, Takashi Hanakawa, Satoshi Tanaka, and Manabu Honda
  • Journal Title: Frontiers in Neuroscience Volume: - Pages: 1-10
  • DOI: 10.3389/fnins.2020.00495
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] An engineered channelrhodopsin optimized for axon terminal activation and circuit mapping (2021)
  • Author(s): Hamada S, Nagase M, Yoshizawa T, Hagiwara A, Isomura Y, Watabe AM, Ohtsuka T
  • Organizer: The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society (Virtual: Kobe International Conference Center, Kobe, Hyogo)
• [Presentation] Automatic and parallel spike collision test for efficient identification of interareal spike signals (2021)
  • Author(s): Mitani K, Kawabata M, Isomura Y, Sakai Y
  • Organizer: The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society (Virtual: Kobe International Conference Center, Kobe, Hyogo)
• [Presentation] Mapping of sensory/motor related neuronal activities in the rodent cerebral cortices by using Phase-Scaling analysis (2021)
  • Author(s): Kawabata M, Rios A, Sakairi T, Sakai Y, Isomura Y
  • Organizer: The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society (Virtual: Kobe International Conference Center, Kobe, Hyogo)
• [Presentation] Establishment and demonstration of a novel spike analysis for neuronal activity during sensorimotor transformation. (2020)
  • Author(s): Kawabata M, ,Nonomura S, Yoshizawa T, Rios A, Sakairi T, Sakai Y, Isomura Y.
  • Organizer: FENS Forum 2020 (Virtual: SEC Centre, Glasgow, UK)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Establishment and demonstration of an analytical method to evaluate neuronal activity during sensorimotor transformation. (2020)
  • Author(s): Kawabata M, Nonomura S, Yoshizawa T, Rios A, Sakairi T, Sakai Y, Isomura Y
  • Organizer: The 43rd Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society (Neuroscience 2020) (Virtual: Kobe International Conference Center, Kobe, Hyogo)
• [Presentation] げっ歯類の行動発現を担う大脳皮質・基底核回路メカニズム (2020)
  • Author(s): 礒村 宜和
  • Organizer: 第257回つくばブレインサイエンス・セミナー（筑波大学, 茨城県つくば市）
  • Invited
• [Presentation] げっ歯類の行動発現を担う大脳皮質・基底核回路メカニズム (2020)
  • Author(s): 礒村 宜和
  • Organizer: 浜松医科大学 大学院特別講演（浜松医科大学, 静岡県浜松市）
  • Invited
• [Remarks] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/yoshikazuisomura/