脳・脊髄損傷後の機能回復過程における神経回路の動的変容

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Mechanisms underlying the functional shift of brain neural circuitry for behavioral adaptation
• Project/Area Number: 26112008
• Research Institution: National Institute for Physiological Sciences
• Principal Investigator: 伊佐 正 生理学研究所, 発達生理学研究系, 教授 (20212805)
• Project Period (FY): 2014-06-27 – 2019-03-31
• Keywords: 回路シフト / 大規模神経回路 / MRI / 脳損傷 / 脊髄損傷 / 機能回復 / ウィルスベクター / 光遺伝学

Outline of Annual Research Achievements

脳・脊髄損傷後機能回復過程における大規模神経回路の活動記録を行うために、多チャンネル(192ch)のマカクザル片側全脳記録用のECoG電極をデザインした。また、東京大学の関野准教授らのグループと連携し、MRIと同期記録用の柔軟なECoG電極をデザインし、MRI記録環境下でのダミーでの記録、そして麻酔下のサル脳での刺激・記録条件の検討を行った。一方で、脊髄部分損傷サルの機能回復過程における脊髄固有ニューロン(PN)の寄与を明らかにするため、ウィルスベクター２重感染によってPNの信号伝達を可逆的に抑制するシステムを用い、PNを遮断したまま脊髄損傷を行うと回復が不完全なままに終わること、一方で、機能回復後PNを遮断すると再度手指の巧緻運動が障害されることから、機能回復にPNが重要な役割を果たしていることを明らかにした。
また、特定回路の機能を操作する実験手法の開発として、逆行性ウィルスベクターNeuRetにMSCV-Creを搭載し、投射先に注入、細胞体の位置にAAV-DJ-flex-ChR2-YFPを注入し、経路選択的にチャネルロドプシンを発現させ、経路選択的に光遺伝学的活性化を行う手法を開発した。そしてこの手法をマウスの上丘出力系に適用し、特異的な行動（指向運動または逃避行動）を誘発することに成功した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

全脳的ECoG電極の開発、MRIとECoGの同時記録システムの開発は概ね想定どおりに進捗している。また、技術開発でも、ウィルスベクターのみによる経路選択的活性化手法の開発にマウスで成功し、今後サルへの応用に進みつつある。これらもほぼ想定どおりの進捗である。

Strategy for Future Research Activity

２年目になる平成２７年度は、大規模ECoG記録を実際にサルにおいて行い、上肢の到達－把持運動や視覚誘導性サッケード運動遂行時の脳活動のダイナミクスを解析する手法を確立する。その後、実際にこの手法を用い脊髄損傷や一次視覚野損傷後の回復過程を追跡していきたい。そして、ウィルスベクターを用いて特定の回路を操作した場合の脳全体のダイナミクスの変化とそれが行動に与える影響を解析し、大規模回路のモデルを構築したい。

Research Products

• [Journal Article] Distinct local circuit properties of the superficial and intermediate layers of the rodent superior colliculus. (2014)
  • Author(s): Phongphanphanee, P., Marino, R., Kaneda, K., Yanagawa, Y., Munoz, D.P. and Isa, T
  • Journal Title: Eur J Neurosci Volume: 40 Pages: 2329-2343
  • DOI: 10.1111/ejn.12579
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Brain-machine interface to control a prosthetic arm with monkey ECoGs during periodic movements. (2014)
  • Author(s): Morishita S, Sato K, Watanabe H, Nishimura Y, Isa T, Kato R, Nakamura T, Yokoi H.
  • Journal Title: Front. Neurosci. Volume: 8 Pages: 417
  • DOI: 10.3389/fnins.2014.00417
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reconstruction of intracortical whisker-evoked local field potential from electrocorticogram using a model trained for spontaneous activity in the rat barrel cortex. (2014)
  • Author(s): Watanabe H, Sakatani T, Suzuki T, Sato MA, Nishimura Y, Nambu A, Kawato M, Isa T.
  • Journal Title: Neurosci Res. Volume: 87 Pages: 40-48
  • DOI: 10.1016/j.neures.2014.06.010.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proprioceptive information coded by populational sensory afferents. (2014)
  • Author(s): Umeda T, Isa T and Nishimura Y.
  • Journal Title: J Phys Fitness Sports Med Volume: 3（5） Pages: 477-482
  • DOI: 10.7600/jpfsm.3.477.2014/7/6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Decoding of the spike timing of primary afferents during voluntary arm movements in monkeys. (2014)
  • Author(s): Umeda T, Watanabe H, Sato MA, Kawato M, Isa T, Nishimura Y
  • Journal Title: Front Neurosci, Volume: 8 Pages: 97
  • DOI: 10.3389/fnins.2014.00097.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparative analyses of adeno-associated viral vector serotypes 1, 2, 5, 8 and 9 in marmoset, mouse and macaque cerebral cortex. (2014)
  • Author(s): Watakabe A, Ohtsuka M, Kinoshita M, Takaji M, Isa K, Mizukami H, Ozawa K, Isa T, Yamamori T
  • Journal Title: Neurosci Res Volume: 93 Pages: 144-157
  • DOI: 10.1016/j.neures.2014.09.002.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Decoding grasp force profile from electrocorticography signals in non-human primate sensorimotor cortex. (2014)
  • Author(s): Chen C, Shin D, Watanabe H, Nakanishi Y, Nakanishi Y, Kambara H, Yoshimura N, Nambu A, Isa T, Nishimura Y, Koike Y.
  • Journal Title: Neurosci Res Volume: 83 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1016/j.neures.2014.03.010.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 視線計測による認知機能の解析 (2015)
  • Author(s): 伊佐正
  • Organizer: 第10回日本統合失調症学会
  • Place of Presentation: 都市センターホテル（東京都、千代田区）
  • Year and Date: 2015-03-28 – 2015-03-28
  • Invited
• [Presentation] Meso-limbic outflow toward descending motor pathways in monkeys (2015)
  • Author(s): Michiaki Suzuki, Masahiro Sawada, Tadashi Isa, Yukio Nishimura
  • Organizer: 第92回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県、神戸市）
  • Year and Date: 2015-03-23 – 2015-03-23
• [Presentation] 脊髄損傷からの回復過程において側坐核は運動関連皮質を活性化する (2015)
  • Author(s): 澤田真寛、加藤健治、尾上浩隆、伊佐正、西村幸男
  • Organizer: 生理研・新潟大脳研合同シンポジム
  • Place of Presentation: 新潟大学（新潟県、新潟市）
  • Year and Date: 2015-03-04 – 2015-03-04
• [Presentation] Large-scaled network reorganization during recovery from partial spinal cord injury (2015)
  • Author(s): 伊佐正
  • Organizer: 第4回玉川大学脳科学研究所リトリート
  • Place of Presentation: 湯本冨士屋ホテル（神奈川県、箱根町）
  • Year and Date: 2015-02-27 – 2015-02-27
• [Presentation] 霊長類モデルを用いた脊髄損傷からの機能回復メカニズムに関する多元的研究 (2015)
  • Author(s): 伊佐正
  • Organizer: 第6回日本安全性薬理研究会
  • Place of Presentation: 東京大学弥生講堂一条ホール（東京都、文京区）
  • Year and Date: 2015-02-21 – 2015-02-21
  • Invited
• [Presentation] 痛みと認知 (2015)
  • Author(s): 伊佐正
  • Organizer: 第20回スパインフロンティア
  • Place of Presentation: 中部国際空港セントレア内会議室（愛知県、常滑市）
  • Year and Date: 2015-01-31 – 2015-01-31
  • Invited
• [Presentation] Neural mechanism of recovery of forelimb movements after stroke (2014)
  • Author(s): Isa T
  • Organizer: 2nd CU-NIPS Symposium
  • Place of Presentation: Chulalongkorn University（Bangkok, Thailand)
  • Year and Date: 2014-12-22 – 2014-12-22
• [Presentation] Two-photon imaging of lateral interaction in the superificla layer of the superior colliculus (2014)
  • Author(s): Kasai M, Isa T
  • Organizer: NBNI2014
  • Place of Presentation: 岡崎コンファレンスセンター（愛知県、岡崎市）
  • Year and Date: 2014-12-18 – 2014-12-18
• [Presentation] Acquiring effective behaviors by secondary reinforcer in blindsight monkeys (2014)
  • Author(s): Rikako Kato, Norihiro Takakuwa, Abdelhafid Zeghbib, Peter Redgrave, Tadashi Isa
  • Organizer: VMT2014
  • Place of Presentation: 伊藤国際学術研究センター（東京都、文京区）
  • Year and Date: 2014-12-06 – 2014-12-06
• [Presentation] Responses of midbrain dopamine neurons to conditioned stimuli presented in the V1 lesion-affected visual field (2014)
  • Author(s): Norihiro Takakuwa, Rikako Kato, Peter Redgrave, Tadashi Isa
  • Organizer: VMT2014
  • Place of Presentation: 伊藤国際学術研究センター（東京都、文京区）
  • Year and Date: 2014-12-06 – 2014-12-06
• [Presentation] The Brain is Needed to Cure Spinal Cord Injury CME (2014)
  • Author(s): Isa T
  • Organizer: Neuroscience2014
  • Place of Presentation: Walter E. Washington Convention Center（Washington D.C.,USA)
  • Year and Date: 2014-11-17 – 2014-11-17
  • Invited
• [Presentation] Large-scale spiking neuron simulations of spatio-temporal dynamics in superior colliculus (2014)
  • Author(s): Veale R, Isa T, Yoshida M.
  • Organizer: Neuroscience2014
  • Place of Presentation: Walter E. Washington Convention Center（Washington D.C.,USA)
  • Year and Date: 2014-11-17 – 2014-11-17
• [Presentation] Two-photon imaging of lateral interaction in the superificla layer of the superior colliculus (2014)
  • Author(s): Kasai M, Isa T
  • Organizer: Neuroscience2014
  • Place of Presentation: Walter E. Washington Convention Center（Washington D.C.,USA)
  • Year and Date: 2014-11-17 – 2014-11-17
• [Presentation] 2光子カルシウムイメージングによる上丘浅層における側方抑制機構の解明 (2014)
  • Author(s): 笠井昌俊、伊佐正
  • Organizer: 第61回中部日本生理学会
  • Place of Presentation: 名古屋市立大学（愛知県、名古屋市）
  • Year and Date: 2014-11-07 – 2014-11-07
• [Presentation] 脊髄損傷からの回復過程において側坐核は運動関連皮質を活性化する (2014)
  • Author(s): 澤田真寛、加藤健治、尾上浩隆、伊佐正、西村幸男
  • Organizer: 第61回中部日本生理学会
  • Place of Presentation: 名古屋市立大学（愛知県、名古屋市）
  • Year and Date: 2014-11-07 – 2014-11-07
• [Presentation] 脳・脊髄損傷後の回復過程での大規模回路再編 (2014)
  • Author(s): 伊佐正
  • Organizer: 第30回Ｗａｋｏワークショップ「神経回路の生理と病態-精神疾患の病態基盤の解明を目指して」
  • Place of Presentation: 東京コンファレンスセンター品川（東京都、港区）
  • Year and Date: 2014-11-06 – 2014-11-06
• [Presentation] Visual instrumental learning in blindsight monkeys. (2014)
  • Author(s): Isa T
  • Organizer: 4th CIN-NIPS Joint Symposium
  • Place of Presentation: Tubingen University（Tubingen,Germany)
  • Year and Date: 2014-10-06 – 2014-10-06
• [Presentation] Large-scaled network reorganization through post-injury functional recovery. (2014)
  • Author(s): Isa T
  • Organizer: 2nd INT neuroscience conference
  • Place of Presentation: Institut de Neuroscience de la Timone ( Marseille,France）
  • Year and Date: 2014-10-03 – 2014-10-03
  • Invited
• [Presentation] 「無意識の視覚系」の実体を求めて (2014)
  • Author(s): 伊佐正
  • Organizer: 応用脳科学アカデミー
  • Place of Presentation: NTT データ INFORIUM 豊洲イノベーションセンター（東京都、江東区）
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-25
  • Invited
• [Presentation] Large-scaled network reorganization during recovery from partial spinal cord injury. (2014)
  • Author(s): 伊佐正
  • Organizer: 北京大学セミナー
  • Place of Presentation: 北京大学（中国、北京）
  • Year and Date: 2014-09-23 – 2014-09-23
  • Invited
• [Presentation] Circuit dissection for causal neuroscience studies (2014)
  • Author(s): 伊佐正
  • Organizer: 脳と心のメカニズム第15回夏のワークショップ
  • Place of Presentation: 学術総合センター・一橋講堂（東京都、千代田区）
  • Year and Date: 2014-09-14 – 2014-09-14
• [Presentation] Computer simulation of superior colliculus dynamics using spiking neural circuit models (2014)
  • Author(s): Richard Veale, Tadashi Isa, Masatoshi Yoshida
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2014-09-13 – 2014-09-13
• [Presentation] 内包出血後の麻痺肢集中使用法による前肢巧緻運動の改善には皮質赤核路が寄与する (2014)
  • Author(s): 石田章真、伊佐かおる、小林憲太、梅田達也、伊佐正、 飛田秀樹
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2014-09-13 – 2014-09-13
• [Presentation] 脊髄損傷からの回復過程における皮質脊髄路の再編 (2014)
  • Author(s): 澤田真寛、吉野-斉藤紀美香、二宮太平、大石高生、山下俊英、高田昌彦、尾上浩隆、西村幸男、伊佐正
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2014-09-12 – 2014-09-12
• [Presentation] 意識に上らない視覚二次強化因子による行動価値の重み付けと内部状態の遷移 (2014)
  • Author(s): 加藤利佳子、高桑徳宏、Abdelhafid Zeghbib、 Peter Redgrave、伊佐正
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2014-09-12 – 2014-09-12
• [Presentation] 皮質盲の視野に提示された条件刺激に対する中脳ドーパミンニューロンの応答 (2014)
  • Author(s): 高桑徳宏、加藤利佳子、Peter Redgrave、伊佐正
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2014-09-12 – 2014-09-12
• [Presentation] 2光子顕微鏡による上丘浅層の側方抑制システムの解明 (2014)
  • Author(s): 笠井昌俊、伊佐正
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-11
• [Presentation] 霊長類の脳科学の過去・現在・未来 (2014)
  • Author(s): 伊佐正
  • Organizer: ワークショップ「システム神経科学の将来展望」
  • Place of Presentation: 舘山寺温泉・ホテル鞠水亭（静岡県、浜松市）
  • Year and Date: 2014-08-30 – 2014-08-30
• [Presentation] Phase and Magnitude Spatiotemporal Dynamics of beta Oscillation in Electrocorticography (ECoG) in the Monkey Motor Cortex at the Onset of 3D Reaching Movements (I) (2014)
  • Author(s): Hidenori Watanabe, Kazutaka Takahashi, Yukio Nishimura, Tadashi Isa
  • Organizer: IEEE EMBC2014
  • Place of Presentation: シカゴ（USA）
  • Year and Date: 2014-08-29 – 2014-08-29
• [Presentation] Large-scale spiking circuit simulation of spatio-temporal dynamics in superior colliculus. (2014)
  • Author(s): Richard Veale, Tadashi Isa, Masatoshi Yoshida
  • Organizer: CNS2014
  • Place of Presentation: ケベック（カナダ）
  • Year and Date: 2014-07-25 – 2014-07-25
• [Presentation] Contribution of propriospinal neurons to recovery of hand dexterity after a corticospinal tract lesion in the monkey (2014)
  • Author(s): T.Tohyama, M.Kinoshita, R.Matsui, S.Kato, K.Isa, D.Watanabe, K.Kobayashi, M.Liu, T.Isa
  • Organizer: 9th FENS Forum of Neuroscience
  • Place of Presentation: MiCo - Milano Congressi （Milan,Italy)
  • Year and Date: 2014-07-08 – 2014-07-08
• [Presentation] 障害脳が示す多様な能力 (2014)
  • Author(s): 伊佐正
  • Organizer: 第29回奈良脳神経ネットワーク研究会
  • Place of Presentation: 奈良県立医科大学（奈良県、奈良市）
  • Year and Date: 2014-07-04 – 2014-07-04
  • Invited
• [Book] Clinical Neuroscience (2014)
  • Author(s): 西村幸男、伊佐正
  • Total Pages: 4(773-776)
  • Publisher: 中外医学社
• [Book] 脊髄外科 (2014)
  • Author(s): 澤田真寛、加藤健治、尾上浩隆、伊佐正、西村幸男
  • Total Pages: 3(77-79)
  • Publisher: 日本脊髄外科学会