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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Adaptive circuit dynamics for operant learning of optimal behavior

Planned Research

Project AreaCensus-based biomechanism of circuit construction and transition for adaptive brain functions
Project/Area Number 21H05242
Research InstitutionTokyo 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)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 佐藤 暢哉  関西学院大学, 文学部, 教授 (70465269)
苅部 冬紀  北海道大学, 医学研究院, 助教 (60312279)
Project Period (FY) 2021-09-10 – 2026-03-31
Keywordsオペラント学習 / げっ歯類 / 大脳皮質 / 大脳基底核 / トランスクリプトーム
Outline of Annual Research Achievements

本計画では、げっ歯類の行動を最適化するオペラント学習を担う大脳皮質と大脳基底核の適応回路動態の仕組みを解明することを目指す。オペラント学習に関与する大脳皮質のPT型・IT型投射細胞と、それらの投射先である大脳基底核線条体の直接路・間接路投射細胞に注目し、マルチユニット記録や2光子イメージングで神経活動を計測した後に、単一細胞RNA-seq解析で各細胞の遺伝子発現プロファイルを決定し、適応回路の構成細胞の固有特性を明らかにする。その責任回路の因果性を光遺伝学的に検証したうえで理論的モデルにより作動原理を理解する。また幅広いオペラント学習の行動解析をおこなうとともに、大脳皮質-基底核の適応回路を支えるシナプス機能や可塑性の仕組みも解明する。
本年度は、礒村(研究代表者)はラットが前肢でレバーを操作すると報酬の水滴を得ることができるオペラント学習課題を遂行中に、大脳皮質や大脳基底核における神経細胞のスパイク活動を電気生理学的に計測した。特に報酬期待による行動関連活動の促進作用に注目して解析している。平理一郎(研究協力者)は光刺激系と2光子レーザー顕微鏡の機能増強と動作確認を進めるとともに、トランスクリプトーム解析系の導入にも着手した。佐藤(分担者)はげっ歯類に援助行動やナビゲーション行動や触覚弁別行動に関するオペラント学習課題を課し、堀江班と連携で学習前後での大脳皮質トランスクリプトームの変化を見出しつつある。苅部(分担者)はホールセルパッチ記録と形態学的可視化を組み合わせて、ラットの大脳基底核の線条体や淡蒼球の神経回路を構成する神経細胞サブタイプの構成とシナプス機能の特性を明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は礒村(研究代表者)、佐藤(分担者)、苅部(分担者)ともに当初の研究構想に沿って行動実験系、電気生理学的、形態学的実験系を構築し、実際の実験データの取得を開始した。それぞれ興味深い予備的所見を得つつあり、研究計画はおおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

次年度は、礒村(研究代表者)はラット・マウスの大脳皮質や大脳基底核からオペラント学習課題の行動や報酬の予測や応答に関連するスパイク活動データを収集する行動生理学実験を継続する。並行する2光子レーザー顕微鏡の構築も完了しており、特に報酬の予測や応答に関連する大脳皮質浅層の神経細胞のカルシウムイメージングを実施する。また、大脳皮質の神経細胞にCAMPARIを発現させておき、光照射で活動細胞を蛍光ラベルして1細胞トランスクリプトーム解析を施す実験系の確立に努める。佐藤(分担者)はラット・マウスに昨年度に開発した行動課題を学習させ、その学習前後で標的脳領域のbulk RNA-seq解析を行う。これにより学習過程に関連した遺伝子を同定する。さらに、in situハイブリダイゼーション法による当該遺伝子の発現解析を進める。苅部(分担者)はラットの大脳皮質や大脳基底核のスライス標本をもちいて、ホールセル記録により細胞種特異的なシナプス機能を解析する。また、経シナプス性のウイルスベクターを用いて、その神経回路を明らかにする。これらの手法で、神経細胞種特異的に蛍光物質を発現させ、組織を回収し、単一細胞RNA-seq解析を行う。いずれも堀江班や郷班と連携したトランスクリプトーム解析を実現するための実験技術上の予備的検討を含めて実施する。

  • Research Products

    (16 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 4 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 4 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Working memory-based and -free reward prediction in a dual dopamine system in the basal ganglia2023

    • Author(s)
      Tomohiko Yoshizawa, Yuuto Miyamura, Yuta Ochi, Riichiro Hira, Makoto Funahashi, Yutaka Sakai, Yilong Cui, Yoshikazu Isomura
    • Journal Title

      bioRxiv (preprint)

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1101/2023.03.06.531239

    • Open Access
  • [Journal Article] How to turn the corner: Discrimination of path shapes in rats2022

    • Author(s)
      Sato Nobuya、Sato Ayaka
    • Journal Title

      Learning & Behavior

      Volume: 50 Pages: 254-262

    • DOI

      10.3758/s13420-021-00491-4

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Helping behavior in prairie voles: A model of empathy and the importance of oxytocin2022

    • Author(s)
      Kitano Kota、Yamagishi Atsuhito、Horie Kengo、Nishimori Katsuhiko、Sato Nobuya
    • Journal Title

      iScience

      Volume: 25 Pages: 103991

    • DOI

      10.1016/j.isci.2022.103991

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 脳梁膨大後皮質の機能―ラットの空間認知・記憶における役割について.2022

    • Author(s)
      佐藤暢哉
    • Journal Title

      Clinical Neuroscience

      Volume: 40 Pages: 37-41

  • [Journal Article] Conservation of the Direct and Indirect Pathway Dichotomy in Mouse Caudal Striatum With Uneven Distribution of Dopamin2022

    • Author(s)
      Kumiko Ogata, Fuko Kadono, Yasuharu Hirai, Ken-ichi Inoue, Masahiko Takada, Fuyuki Karube, Fumino Fujiyama
    • Journal Title

      Frontiers in Neuroanatomy

      Volume: 16 Pages: 809446

    • DOI

      10.3389/fnana.2022.809446

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Hippocampal CA1 represents action and reward events instantly compared to the superficial and deep layers of the lateral entorhinal cortex2022

    • Author(s)
      Soma S, Ohara S, Nonomura S, Yoshida J, Suematsu N, Pastalkova E, Sakai Y, Tsutsui K-I, Isomura Y
    • Journal Title

      bioRxiv (preprint)

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1101/2022.03.31.485431

    • Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 順行性経シナプス性AAVによるドーパミン神経細胞の標的細胞標識の試み2023

    • Author(s)
      苅部 冬紀、楊 洋、平井 康治、藤山 文乃
    • Organizer
      第128回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • [Presentation] Exploring the brain regions projecting to the caudal striatum in mice2023

    • Author(s)
      角野 風子、苅部 冬紀、平井 康治、藤山 文乃
    • Organizer
      第128回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • [Presentation] Reward prediction and response in the hippocampus and basal ganglia2022

    • Author(s)
      Yoshikazu Isomura
    • Organizer
      BSI KIST Seminar Series 2022
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Reward experience differently modifies action- and outcome-related activities along nigrostriatal system2022

    • Author(s)
      Yoshikazu Isomura
    • Organizer
      JANUBET Symposium 2022
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 特別講演:行動に結果が伴う大脳皮質-基底核回路2022

    • Author(s)
      礒村 宜和
    • Organizer
      第252回生理学東京談話会
    • Invited
  • [Presentation] 招待講演:行動と結果をつなぐ大脳の仕組み2022

    • Author(s)
      礒村 宜和
    • Organizer
      東京理科大学 パラレル脳センシング技術研究部門 第2回公開シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] マウス尾側線条体ドーパミン受容体偏在領域の投射様式2022

    • Author(s)
      苅部 冬紀、緒方 久実子、角野 風子、平井 康治、井上 謙一、高田 昌彦、藤山 文乃
    • Organizer
      日本解剖学会
  • [Presentation] ドーパミン受容体D1とD2の発現が偏る尾側線条体の腹側領域は、黒質外側部に投射する2022

    • Author(s)
      苅部 冬紀、緒方 久実子、角野 風子、平井 康治、高田 昌彦、井上 謙一、藤山 文乃
    • Organizer
      Neuro2022
  • [Remarks] 適応回路センサス領域ホームページ

    • URL

      https://ac-census.org/

  • [Remarks] Researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/yoshikazuisomura/

URL: 

Published: 2023-12-25  

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