Neural circuit mechanisms for decision making based on active inference

• Project Area: Census-based biomechanism of circuit construction and transition for adaptive brain functions
• Project/Area Number: 22H05520
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 岡本 仁 国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, チームリーダー (40183769)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000); Fiscal Year 2023: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• Keywords: ゼブラフィッシュ / 意思決定 / 背側被蓋 / 基底核 / 直接経路 / 間接経路 / 脚内核 / 遺伝子発現プロファイリング / 能動的推論 / 仮想現実空間 / 自由エネルギー / ブラフィッシュ

Outline of Research at the Start

本研究では、能動的推論による意思決定の機構の全貌を明らかにすることを目指して、哺乳類の大脳基底核に相当する終脳の深部の神経細胞群の遺伝子発現プロファイリングや他の脳部位との神経結合パターンの解析を行ったうえで、各種の神経細胞ごとに神経活動のイメージングや操作を行うためのトランスジェニック系統を作成し、これらを利用して、終脳の表層と深層の神経細胞群の相互作用によって、能動的推論に基づく逃避行動がどのように制御されているのかを明らかにすることを目指す。本研究の成果は、哺乳類やヒトの脳で、内部モデルがどのように造られ、使われているのかを明らかにするための重要な手がかりを与えてくれると期待できる。

Outline of Annual Research Achievements

1: ゼブラフィッシュの終脳の神経回路網の解析: 終脳深部の各種神経細胞を標識したり操作するため、各種とタンスジェニック系統(抑制性神経細胞： Tg[gad67:gal4]、線条体直接路神経細胞に相当する細胞：Tg[tac1:gal4]、線条体間接路神経細胞に相当する細胞：Tg[penk:gal4]、淡蒼球神経細胞に相当する細胞：Tg[nkx2.1b:gal4]、 淡蒼球の一部の神経細胞： Tg[npy:gal4])を使って、終脳神経細胞群が形成する回路網の解析をおこなった。その結果、淡蒼球に相当する背側脚内核にはNPY陽性と陰性の細胞が存在し、NPY陽性の細胞は哺乳類には存在しないゼブラフィッシュ特有の物で、哺乳類の皮質に相当する外套部に直接神経を投射することを確定した。

２：淡蒼球相当部位の神経細胞の遺伝子発現プロファイリング: 背側脚内核や外側外套下部は哺乳類の淡蒼球に相当すると考えられる。この部分には、NPY陽性細胞以外の細胞については特異的分子マーカーが知られていないので、その活動を計測したり特異的に操作することが難しい。この問題を克服するために、　1細胞遺伝子発現プロファイリングを、所属機関で利用可能な10xGenomics Chromiumを使って行った。その結果、背側脚内核の抑制性神経細胞が５種類のクラスターに分類されることを発見した。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Presentation] 脳は、どのようにして望むべき状態を予測し、それを実現させるのか? (2022)
  • Author(s): 岡本仁
  • Organizer: 名古屋大学 GTRセミナー / アドバンス生命理学特論
  • Invited
• [Presentation] Zebrafish National Bioresource Project in Japan (2022)
  • Author(s): Hitoshi Okamoto
  • Organizer: Korea Animal Model Archive (KAMA) Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Search for the neural substrate for the internal model which predicts favorable future state, and how it is used for behavioral optimization? (2022)
  • Author(s): Hitoshi Okamoto
  • Organizer: Seminar at Chungnam National University
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Search for the neural substrate for the internal model which predicts favorable future state, and how it is used for behavioral optimization? (2022)
  • Author(s): Hitoshi Okamoto
  • Organizer: Keystone Symposia on Molecular and Cellular Biology "Neurocircuitry of Social Behavior"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] How does zebrafish predict the future and use the prediction for decision-making? (2022)
  • Author(s): Yuki Tanimoto
  • Organizer: 第28回小型魚類研究会
• [Presentation] ゼブラフィッシュの大脳基底核における目標指向行動のための価値情報の機能的分離と統合 (2022)
  • Author(s): 谷本悠生
  • Organizer: 第45回日本神経科学大会（NEURO2022）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 成魚ゼブラフィッシュの学習と意思決定における外套と外套下部に投射するセロトニンニューロン軸索の活動と機能の差異 (2022)
  • Author(s): 柴山 康太郎
  • Organizer: 第45回日本神経科学大会（NEURO2022）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quest for the neural circuits to optimize behavior by minimization of prediction error (2022)
  • Author(s): Hitoshi Okamoto
  • Organizer: 第45回日本神経科学大会（NEURO2022）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ゼブラフィッシュ淡蒼球内節推定部位における神経細胞タイプの同定 (2022)
  • Author(s): 柿沼久哉
  • Organizer: 第45回日本神経科学大会（NEURO2022）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The difference of activities of serotonergic axons in the dorsal pallium and the sub-pallium during learningand decision-making of adult zebrafish (2022)
  • Author(s): Kotaro Shibayama
  • Organizer: Imaging Structure and Function of the Zebrafish Brain Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] How can zebrafish make prediction, culculate prediction error, and use it for behavioral optimization? (2022)
  • Author(s): Hitoshi Okamoto
  • Organizer: Imaging Structure and Function of the Zebrafish Brain Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 意思決定回路動態研究チーム（岡本 仁）:情動と社会性による行動プログラムの制御機構の解明をめざす。
  • URL: https://cbs.riken.jp/jp/faculty/h.okamoto/index.html
• [Remarks] 意思決定の仕組みを探る
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=nrJJNBqONdU
• [Remarks] ゼブラフィッシュから迫る、ヒトの心や行動制御の原理
  • URL: https://www.riken.jp/pr/closeup/2021/20211227_1/index.html
• [Remarks] 腹が減っては戦に負けぬ －空腹の魚が闘争に敗北しにくくなる神経メカニズムを解明－
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=FurG6gS49bg