興奮性細胞・抑制性細胞神経回路の前頭葉領野間分業と動物－環境間の関係創発

• Project Area: The study on the neural dynamics for understanding communication in terms of complex hetero systems
• Project/Area Number: 24120703
• 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: Tohoku University
• Principal Investigator: 坂本 一寛 東北大学, 電気通信研究所, 助教 (80261569)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥12,740,000 (Direct Cost: ¥9,800,000、Indirect Cost: ¥2,940,000); Fiscal Year 2013: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2012: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
• Keywords: サル / 前頭前野 / 局所神経回路 / 興奮抑制バランス / 大脳皮質 / 同期発火 / 抑制性細胞 / 行動計画

Research Abstract

平成25年度は、主に以下の二点につき、研究を推進した。
迷路中のゴールに向けてカーソルを数手かけ移動させる課題（経路探索課題）を遂行中のサルの前頭前野神経細胞活動を解析した。以前の研究で運動準備期及び実行期に各手それぞれのカーソル方向を一過性に符号化する細胞群を見出した。今年度は、その符号化に対する興奮性細胞と抑制性細胞の活動バランスを検討した。その結果、準備期には符号化開始直前に抑制性細胞活動の相対的上昇が見られる一方、実行期にはそのような上昇は見られないことを見出した。このことは、前頭前野神経回路では興奮抑制のバランスの変化が、行動の実行より行動計画に大きな役割を果たすことを示唆している。
一方、微細加工技術の発達により、記録点が数十～数百μm間隔で正確に配置された多重電極の作製、及び、脳から多数の神経活動を同時記録することが可能となってきた。そのような多重電極を用いると、各記録点で得られた局所電場電位（local field potential, LFP）からシナプス入力を反映すると言われている電流源(current source density, CSD)解析を行うことが可能となる。CSDと神経細胞からの出力を反映するスパイク発火を併せて解析することにより、動物の行動発現の背後にある局所神経回路の機能解明が飛躍的に進むことが期待される。今年度は、新奇・形操作課題遂行中のサル前頭前野局所電位を記録し、電流源解析によりシナプス入力の空間位置を解析した。その結果、古くから解剖学的に示唆されていたカラム構造に相当する、周期的構造を世界で初めて電気生理学的手法で見出した。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Neuronal activity in the monkey frontal cortex during a novel shape-manipulation task. (2014)
  • Author(s): Yagi K, Sakamoto K, Kawaguchi N, Mushiake H
  • Journal Title: J Physiol Sci Volume: 64
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Increased firing irregularity as an emergent property of neural-state transition in monkey prefrontal cortex (2013)
  • Author(s): Kazuhiro Sakamoto, Yuichi Katori, Naohiro Saito Shun Yoshida, Kazuyuki Aihara and Hajime Mushiake
  • Journal Title: Plos One Volume: 8(12) Issue: 12 Pages: e80906-e80906
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0080906
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Potential of Multilateral Analyses of Neuronal Activities in Future Brain–Machine Interface Research. (2013)
  • Author(s): Sakamoto K.
  • Journal Title: IEEE EMBC Volume: 1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 行動の計画と前頭前野ダイナミクス (2013)
  • Author(s): 坂本一寛、虫明元
  • Journal Title: 日本神経回路学会誌 Volume: 20 Pages: 37-41
  • NAID: 10031163980
• [Journal Article] 複雑系神経科学からの１０の問題意識 (2013)
  • Author(s): 坂本一寛
  • Journal Title: 日本神経回路学会誌 Volume: 20 Pages: 174-179
  • NAID: 130003394604
• [Journal Article] Neuronal synchrony during the planning and execution period in the prefrontal cortex. (2012)
  • Author(s): Sakamoto K
  • Journal Title: Advances in Cognitive Neurodynamics Volume: 3 Pages: 331-338
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamic information processing in the frontal association areas of monkeys during hypothesis testing behavior. (2012)
  • Author(s): Kawaguchi N
  • Journal Title: Advances in Cognitive Neurodynamics Volume: 3 Pages: 691-698
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamical neuronal representation in the prefrontal cortex. (2012)
  • Author(s): Mushiake H
  • Journal Title: Advances in Cognitive Neurodynamics Volume: 3 Pages: 9-15
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Is advance planning of sequential movements reflected in the behavior of monkeys? (2012)
  • Author(s): Sakamoto K
  • Journal Title: Annual Conference of the Japanese Neural Network Society Volume: 22
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamical reorganization of attractor structure in neural network model with dynamic synapses. (2012)
  • Author(s): Katori Y
  • Journal Title: Annual Conference of the Japanese Neural Network Society Volume: 22
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Are synchronous neurons in the cortex unique? (2012)
  • Author(s): Sakamoto K
  • Journal Title: IEEE SCIS-ISIS Volume: 1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Extending the world to sense and behave: a supportive system focusing on the body coordination for neurocognitive rehabilitation. (2012)
  • Author(s): Wagatsuma H
  • Journal Title: International Conference on Advanced Cognitive Technologies and Applications COGNITIVE Volume: 4 Pages: 171-174
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 形操作課題中のサル前頭葉の神経活動 (2014)
  • Author(s): 八木 耕平、坂本 一寛、川口 典彦、虫明 元
  • Organizer: 第91回 日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 鹿児島
• [Presentation] Excitation-inhibition balance of the prefrontal neurons in the execution period of a path-planning task. (2013)
  • Author(s): Sakamoto K, Saito N, Yoshida S, Mushiake H.
  • Organizer: The 4th International Conference on Cognitive Neurodynamics
  • Place of Presentation: Sigtuna, Sweden
• [Presentation] Multiple prediction errors (surprise signals) in the supplementary eye field drive the exploration-exploitation transitions during an occulomotor search task. (2013)
  • Author(s): Kawaguchi N, Sakamoto K, Saito N, Furusawa Y, Tanji J, Aoki M, Mushiake H.
  • Organizer: Neuro2013
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
• [Presentation] Mental manipulation of origami revealed functional involvements of intraparietal areas and premotor areas: a fMRI study. (2013)
  • Author(s): Kawaguchi N, Sakamoto K, Aoki M, Mushiake H.
  • Organizer: Neural Oscillation Conference 2013
  • Place of Presentation: Okazaki, Japan
• [Presentation] 脳損傷片麻痺リハビリ支援に向けたオール漕ぎ課題の検討 (2012)
  • Author(s): 我妻 広明
  • Organizer: 第33回 バイオメカニズム学術講演会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2012-12-15
• [Presentation] The role of the supplementary eye field in evaluating outcomes during an oculomotor search task. (2012)
  • Author(s): Kawaguchi N
  • Organizer: Neuro 2012
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2012-09-18
• [Presentation] Time-development of excitation-inhibition balance in the prefrontal cortex during a path-planning task. (2012)
  • Author(s): Sakamoto K
  • Organizer: Neuro 2012
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2012-09-18
• [Presentation] Prefrontal dynamics during behavioral planning (2012)
  • Author(s): Sakamoto K
  • Organizer: Postech-Kyutech Joint Workshop on Neuroinformatics 2012
  • Place of Presentation: 北九州
  • Invited
• [Presentation] 前頭前野における情報の動的符号化と興奮・抑制バランスの時間発展 (2012)
  • Author(s): 坂本 一寛
  • Organizer: 第 44 回東北生理談話会
  • Place of Presentation: 山形