運動指令のトップダウン形成とボトムアップ形成を担う皮質回路機構

• Project Area: The study on the neural dynamics for understanding communication in terms of complex hetero systems
• Project/Area Number: 24120715
• 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: Tamagawa University
• Principal Investigator: 礒村 宜和 玉川大学, 脳科学研究所, 教授 (00415077)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2013: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2012: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 神経生理学 / ラット / 大脳皮質 / 運動野 / 神経細胞

Research Abstract

本研究では、外界刺激により誘発される外発性の運動指令の形成(ボトムアップ型)と自らのタイミングによる内発性の運動指令の形成(トップダウン型)のために、大脳皮質内の神経回路上のどの細胞からどの細胞へどのような機能的情報が流れるのかを、「外発性/内発性」運動課題を遂行するラットの運動野を対象に、傍細胞記録法による「ナノ刺激」とマルチニューロン記録法を組み合わせて追跡することを目指してきた。
平成25年度は、前年度に実施した、前肢のレバー操作による外発性／内発性運動課題を遂行中の頭部固定ラット数十頭の一次運動野および二次運動野からのマルチニューロン記録実験から得られた神経活動データを詳細に解析した。その結果、両領野とも、外発性運動発現にも内発性運動発現にも関与しているが、特に二次運動野では、外発性運動の発現時に活動が高まる細胞の割合が有意に多いことを明らかにした。また、これらの細胞の間には、相互相関図上で数ミリ秒以内の同期的発火を示す細胞ペアがおよそ数％の頻度で観察されるが、これらの同期的発火を示す細胞ペアは、細胞サブタイプの違い、課題関連性の違い、運動発現に対する機能的活動の違いに対して、（多少の差異の傾向はあるものの）ニューロン集団全体としては基本的に確率的な分布に近いものであった。すなわち、ニューロン・ペアの同期的発火は、細胞サブタイプや行動上の機能の組み合わせに高い特異性を有するものでなく、むしろもっと神経回路に一般的な性質であることが示唆された。さらに、そのような同期的発火が課題遂行とともに動的に変動するかどうかを調べたところ、ニューロン集団としてはやはり確率的な分布を示し、同期的発火の動的変動が積極的に大脳皮質の機能に関わっているとは結論できない所見を得た。
現在、これらの研究結果を詳細に整理して論文投稿を準備しているところである。

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] The synchronous activity of lateral habenular neurons is essential for regulating hippocampal theta oscillation. (2013)
  • Author(s): Hidenori Aizawa, Shin Yanagihara, Megumi Kobayashi, Kazue Niisato, Takashi Takekawa, Rie Harukuni, Thomas J. McHugh, Tomoki Fukai, Yoshikazu Isomura, Hitoshi Okamoto
  • Journal Title: J. Neurosci. Volume: 33 Issue: 20 Pages: 8909-8921
  • DOI: 10.1523/jneurosci.4369-12.2013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reward-modulated motor information in identified striatum neurons. (2013)
  • Author(s): Yoshikazu Isomura, Takashi Takekawa, Rie Harukuni, Takashi Handa, Hidenori Aizawa, Masahiko Takada, and Tomoki Fukai
  • Journal Title: J. Neurosci. Volume: 33 Issue: 25 Pages: 10209-10220
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0381-13.2013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A θ-γ Oscillation Code for Neuronal Coordination during Motor Behavior. (2013)
  • Author(s): Jun Igarashi, Yoshikazu Isomura, Kensuke Arai, Rie Harukuni, Tomoki Fukai
  • Journal Title: J. Neurosci. Volume: 33 Issue: 47 Pages: 18515-18530
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2126-13.2013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Long-lasting single-neuron labeling by in vivo electrop oration without microscopic guidance (2013)
  • Author(s): Kei Oyama, Shinya Ohara, Sho Satoa, Fuyuki Karube, Fumino Fujiyama, Yoshikazu Isomura, Hajime Mushiake, Toshio Iijima, Ken-Ichiro Tsutsui
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Methods Volume: 218 Issue: 2 Pages: 139-147
  • DOI: 10.1016/j.jneumeth.2013.06.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Neural dynamics and information representation in microcircuits of motor cortex. (2013)
  • Author(s): Yasuhiro Tsubo, Yoshikazu Isomura, Tomoki Fukai
  • Journal Title: Frontiers in Neural Circuits Volume: 7 Pages: 1-10
  • DOI: 10.3389/fncir.2013.00085
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatiolemporal dynamics of functional clusters of neurons in mouse motor corlex during a voluntary movement (2013)
  • Author(s): Hira R, Okubo F, Ozawa K, Isomura Y, KHamura K, Kano M, Kasai H, Matsuzaki M
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Volume: 33 Issue: 4 Pages: 1377-90
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2550-12.2013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Power-law inter-spike interval distributions infer a conditional maximization of entropy in cortical neurons (2012)
  • Author(s): Tsubo Y, et al
  • Journal Title: PLoS Comput.Biol. Volume: 8 Issue: 4 Pages: e1002461-e1002461
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1002461
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reinforcing operandum: rapid andreliable learning of skilled forelimbmovements by head-fixed rodents (2012)
  • Author(s): Kimura R, et al. Sakai Y
  • Journal Title: Journal of Neurophysiology Volume: vol.108 Issue: 6 Pages: 1781-1792
  • DOI: 10.1152/jn.00356.2012
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Reward-modulated motor information in dorsolateral striatum neurons. (2013)
  • Author(s): Isomura Y
  • Organizer: Dynamic Brain Forum (DBF) 2013, The 4th International Conference on Cognitive Neurodynamics
  • Place of Presentation: Sigtuna, Sweden
  • Invited
• [Presentation] Cooperative multineuronal spike activities related to externally- and internally-initiated movements in rat primary and secondary motor cortices. (2013)
  • Author(s): Kimura R, Saiki A, Fujiwara-Tsukamoto Y, Sakai Y & Isomura Y
  • Organizer: Neuro2013, The 36th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館（京都府京都市）
• [Presentation] Diversity and synchrony of multineuronal spike activities in rat primary and secondary motor cortices during externally- and internally-initiated movements. (2012)
  • Author(s): Kimura R et al.
  • Organizer: The 42nd Society for Neuroscience annual meeting
  • Place of Presentation: New Orleans, USA
  • Year and Date: 2012-11-14
• [Presentation] Intracortical mechanism of voluntary movements in the rat. (2012)
  • Author(s): Isomura Y
  • Organizer: International Conference of Physiological Sciences 2012
  • Place of Presentation: Suzhou, China
  • Year and Date: 2012-11-03
  • Invited
• [Presentation] Ensemble coding for voluntary movements in rat primary and secondary motor cortices. (2012)
  • Author(s): Isomura Y
  • Organizer: Dynamic Brain Forum (DBF) 2012
  • Place of Presentation: Carmona, Spain
  • Year and Date: 2012-09-06
  • Invited
• [Presentation] ラットの運動発現の皮質回路機構．
  • Author(s): 礒村 宜和
  • Organizer: 東京都医学研究機構プロジェクトセミナー
  • Place of Presentation: 東京都医学研究機構（東京都世田谷区）
  • Invited
• [Book] ブレインサイエンス・レビュー2013 (2013)
  • Author(s): 礒村宜和
  • Publisher: クバプロ
• [Remarks] 玉川大学脳科学研究所礒村研究室
  • URL: http://www.tamagawa.ac.jp/teachers/isomura/index.html
• [Remarks] Researchmap
  • URL: http://researchmap.jp/yoshikazuisomura/
• [Remarks] 礒村研究室ホームページ
  • URL: http://www.tamagawa.ac.jp/teachers/isomura/index.html
• [Remarks] ReadResearchmap
  • URL: http://researchmap.jp/yoshikazuisomura/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 動物学習支援装置、及び動物学習支援機能付き飼育ケージ (2013)
  • Inventor(s): 礒村 宜和
  • Industrial Property Rights Holder: 礒村 宜和
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2013-09-30