運動制御における小脳小規模回路の機能

• Project Area: Mesoscopic neurocircuitry: towards understanding of the functional and structural basis of brain information processing
• Project/Area Number: 25115705
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: University of Yamanashi (2014); The University of Tokyo (2013)
• Principal Investigator: 喜多村 和郎 山梨大学, 総合研究部, 教授 (60423159)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2014: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2013: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
• Keywords: 神経科学 / 生理学 / ２光子イメージング / 小脳 / プルキンエ細胞 / 運動

Outline of Annual Research Achievements

運動制御における小脳皮質の機能的役割を明らかにする目的で、２光子イメージングを用い、運動課題実行中の小脳プルキンエ細胞の活動解析を行った。まず、小脳皮質の帯状構造を可視化することのできるマウスを用い、小脳皮質の機能単位である微小帯域の機能イメージングを行った。２光子カルシウムイメージングにより、プルキンエ細胞の登上線維応答観察したところ、登上線維応答の同期性と帯状構造がを１細胞レベルで一致していることが明らかとなった。また、覚醒状態のマウスでこの同期性と帯状構造の一致がどのようになるかを調べたところ、帯状構造をまたいで複数の微小帯域が協調して働いていることが明らかとなった。この結果は、小脳皮質微小帯域と登上線維の関係は投射パターンによって厳密に決まっているものの、脳の覚醒状態や行動状態によって、それらの間のカップリングを柔軟に変化させて、情報処理を行っていることを示唆している。次に、微小帯域の運動制御・運動学習における機能的役割を明らかにするために、頭部固定下のマウスで運動課題を学習途中に、GCaMPによるカルシウムイメージングにより、同一個体で経時的に小脳プルキンエ細胞の活動を観察した。その結果、運動開始のタイミング制御に関わると考えられる活動や、運動の結果としての感覚フィードバックを表現していると思われる活動などが観察され、それらの活動が学習の過程で変化すること、運動や感覚情報を担う機能的微小帯域と帯状構造とが一致していることなどが明らかになりつつある。レバー引きなどのより複雑で精緻な多関節前肢運動についても、同様の実験をおこなっており、これらの実験を通して運動制御・運動学習の基盤となる小脳皮質小規模回路の機能的役割を明らかにしていく。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Structure-Function Relationships between Aldolase C/Zebrin II Expression and Complex Spike Synchrony in the Cerebellum. (2015)
  • Author(s): Tsutsumi S, Yamazaki M, Miyazaki T, Watanabe M, Sakimura K, Kano M, Kitamura K
  • Journal Title: J Neurosci. Volume: 35(2) Issue: 2 Pages: 843-52
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2170-14.2015
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Rational design of a high-affinity, fast, red calcium indicator R-CaMP2. (2015)
  • Author(s): Inoue M, Takeuchi A, Horigane S, Ohkura M, Gengyo-Ando K, Fujii H, Kamijo S, Takemoto-Kimura S, Kano M, Nakai J, Kitamura K, Bito H
  • Journal Title: Nat Methods Volume: 12 Issue: 1 Pages: 64-70
  • DOI: 10.1038/nmeth.3185
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Two distinct layer-specific dynamics of cortical ensembles during learning of a motor task. (2014)
  • Author(s): Masamizu Y, Tanaka YR, Tanaka YH, Hira R, Ohkubo F, Kitamura K, Isomura Y, Okada T, Matsuzaki M.
  • Journal Title: Nat. Neurosci Volume: 17 Issue: 7 Pages: 987-994
  • DOI: 10.1038/nn.3739
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Spike timing-dependent selective strengthening of single climbing fibre inputs to Purkinje cells during cerebellar development. (2013)
  • Author(s): Yoshinobu Kawamura, Hisako Nakayama, Kouichi Hashimoto, Kenji Sakimura, Kazuo Kitamura and Masanobu Kano.
  • Journal Title: Nat Commun. Volume: 4 Issue: 1 Pages: 2732-2732
  • DOI: 10.1038/ncomms3732
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Relationship between the local structure of orientation map and the strength of orientation tuning of neurons in monkey V1: a 2-photon calcium imaging study (2013)
  • Author(s): Ikezoe, K., Mori, Y., Kitamura, K., Tamura, H., Fujita, I.
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Volume: 33(42) Issue: 42 Pages: 16818-16827
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2209-13.2013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Disruption of cerebellar microzonal organization in GluD2 (GluRd2) knockout mouse. (2013)
  • Author(s): Hashizume M, Miyazaki T, Sakimura K, Watanabe M, Kitamura K, Kano M
  • Journal Title: Front Neural Circuits Volume: 7 Pages: 130-130
  • DOI: 10.3389/fncir.2013.00130
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional labeling of neuronal ensemble and axonal projections in vivo using a synthetic activity-dependent promoter E-SARE. (2013)
  • Author(s): Kawashima T, Kitamura K, Suzuki K, Nonaka M, Kamijo S, Takemoto-Kimura S, Kano M, Okuno H, Ohki K, Bito H.
  • Journal Title: Nature Methods Volume: 10 Issue: 9 Pages: 889-895
  • DOI: 10.1038/nmeth.2559
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonlinear Decoding and Asymmetric Representation of Neuronal Input Information by CaMKIIa and Calcineurin. (2013)
  • Author(s): Fujii H, Inoue M, Okuno H, Sano Y; Takemoto-Kimura S, Kitamura K, Kano M, Bito H.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 3(印刷中)(掲載確定) Issue: 4 Pages: 978-987
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2013.03.033
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Calcium-dependent regulation of climbing fiber synapse elimination during postnatal cerebellar development. (2013)
  • Author(s): Kano M, Nakayama H, Hashimoto K, Kitamura K, Sakimura K, Watanabe M
  • Journal Title: J. Physiol. Volume: 591 Issue: 13 Pages: 3151-3158
  • DOI: 10.1113/jphysiol.2012.248252
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dendritic calcium signaling in cerebellar Purkinje cell. (2012)
  • Author(s): Kitamura K
  • Journal Title: Neural Networks Volume: - Pages: 11-7
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2012.08.001
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Experience-Dependent Clustering of Sensory Synaptic Inputs in the somatosensory cortex (2015)
  • Author(s): Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
  • Organizer: 第９２回日本生理学会
  • Place of Presentation: 兵庫県神戸市神戸国際会議場
  • Year and Date: 2015-03-23
• [Presentation] Two-photon imaging of neural activity at single neurons and single synapses: Optical physiology in vivo (2014)
  • Author(s): Kazuo Kitamura
  • Organizer: 第３７回日本神経科学学会
  • Place of Presentation: 神奈川県横浜市パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-09-12
• [Presentation] Highly sensitive calcium imaging of neural activity in vitro and in vivo with a new fluorescent calcium indicator, Cal-520 (2014)
  • Author(s): Atsuya Takeuchi, Mayumi Tada, Miki Hashizume, Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
  • Organizer: 第３７回日本神経科学学会
  • Place of Presentation: 神奈川県横浜市パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-09-11
• [Presentation] Impairment of cerebellar microzonal organization by aberrant climbing fiber to Purkinje cell wiring in GluRδ2 (GluD2) knockout mouse. (2013)
  • Author(s): Miki Hashizume, Taisuke Miyazaki, Kenji Sakimura, Masahiko Watanabe, Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
  • Organizer: Neuroscience2013
  • Place of Presentation: San Diego, USA
• [Presentation] Fine scale correspondence between the cerebellar microzones and the aldolase C compartments in mice. (2013)
  • Author(s): Shinichiro Tsutsumi, Maya Yamazaki, Taisuke Miyazaki, Masahiko Watanabe, Kenji Sakimura, Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
  • Organizer: Neuroscience2013
  • Place of Presentation: San Diego, USA
• [Presentation] Selective strengthening of single climbing fiber inputs to Purkinje cells during postnatal cerebellar development in vivo. (2013)
  • Author(s): Yoshinobu Kawamura, Hisako Nakayama, Kouichi Hashimoto, Kenji Sakimura, Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
  • Organizer: Neuroscience2013
  • Place of Presentation: San Diego, USA
• [Presentation] Postnatal desynchronization of climbing fiber responses in Purkinje cell populations of the developing cerebellum. (2013)
  • Author(s): Jean -M. Good, Taisuke Miyazaki, Kazuo Kitamura, Masahiko Watanabe, Kenji Sakimura, Masanobu Kano
  • Organizer: Neuroscience2013
  • Place of Presentation: San Diego, USA
• [Presentation] Synchronous climbing fiber responses correlated with the aldolase C compartments in mouse cerebellar cortex (2013)
  • Author(s): Shinichiro Tsutsumi, Mayumi Tada, Kenji Sakimura, Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
  • Organizer: Neuro2013
  • Place of Presentation: 京都
• [Presentation] Sparse and heterogeneous organization of sensory inputs in layer 2/3 of mouse barrel cortex (2013)
  • Author(s): Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
  • Organizer: Neuro2013
  • Place of Presentation: 京都
• [Presentation] 光で探る脳の活動 ～シナプスからニューロンまで～
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Organizer: 第22回日本バイオイメージング学会学術集会公開講座
  • Place of Presentation: 東京
  • Invited
• [Presentation] 小脳皮質回路の機能構築と運動制御・運動記憶．
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Organizer: 第2回記憶回路研究会
  • Place of Presentation: 岡崎
• [Presentation] 光で探る脳のはたらき～シナプスから回路へ～
  • Author(s): 喜多村和郎
  • Organizer: 量子エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: 軽井沢