2016 Fiscal Year Research-status Report
光学的アプローチによる視覚情報を介した認知機能の解明
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15K18341
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
揚妻 正和 大阪大学, 産業科学研究所, 特別科学研究員 (30425607)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | オプトジェネティクス / 光イメージング / 大脳皮質 / 情報処理 / 神経ネットワーク |
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| Outline of Annual Research Achievements |
脳は様々な外界の情報を処理し、認知・行動として表現する。中でも視覚情報は、我々ヒトを含む多くの動物にとって非常に重要な役割を担っている。近年、大脳皮質視覚野において、視覚情報依存的な課題遂行中では課題の困難さや注意の度合いに応じた神経活動上昇、およびネットワーク同期性の変化などが報告されている。一方、抑制性神経は、一般にそのような神経ネットワーク情報処理に重要であることが知られる。そこで本研究では、この抑制性神経の役割に着目し、最新の光学的アプローチによる「神経活動の観察」及び「抑制性神経の活動操作技術」を応用して、課題遂行中のマウス脳内における視覚情報処理メカニズムを明らかにしていく。
実際の実験では、in vivo神経活動イメージング技術による神経活動の「観察」、および光遺伝学によるPV陽性神経細胞の「活動操作」を行い、神経回路ネットワークにおける情報処理（活動性、同期性の変化など）がどのようにして認知・行動に寄与するかを示す。また、PV陽性神経細胞がネットワークの過疎的変化に関与することを踏まえ、遺伝子コード型センサーの利点を生かした長期的な観察を行い、学習前後での神経活動観察を通して、ネットワークの過疎的かつダイナミックな変化を捉えることに挑戦する。
平成２７年度においては、これら光学技術を課題遂行中のマウスで利用可能となるように系の確立と最適化を推進してきた。これを受け、平成２８年度では実際に課題遂行中のマウスの脳内での神経活動の変化を観察し、データ蓄積を進めた。また、光遺伝学による抑制性神経活動の操作を施した際の、脳活動および行動の変化も記録した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２７年度においては、マウスを顕微鏡下で頭部固定し、その状態で課題遂行中のマウスに対し、光学技術（光神経活動イメージング、光遺伝学）を利用可能となるように調整・最適化を進めてきた。平成28年度はこれらを完成させ、実際にin vivoでの記録の取得を推進した。特に顕微鏡下では通常のマウスとはことなるストレスがかかるため、それを改善するための様々な環境改善を行い、恐怖学習の指標である「すくみ行動」が評価しやすい状況を確立した。また、低倍・高N/Aの対物レンズの導入により、高い時間分解能とより広い視野を獲得する事が出来たが、その一方で大量の神経活動データが取得されるようになった。このデータ解析の為に、より適したプログラムを作成した。また一つ一つの神経活動を同定するためのアルゴリズムを導入することで、より効率的にデータ解析を行うことが可能となった。
これらの技術を利用し、実際のマウスを利用して経時的な神経活動パターンの変遷を観察した。学習を行う前の音に対する神経活動を記録し、学習後のパターンと比較することにより、学習依存的な神経活動パターンを同定可能とした。行動量を常にモニターすることで、マウス行動と神経活動、そして学習の三つのパラメーターの影響を比較しながら研究を進めた。また、学習の直後のみならず、その後の消去学習時の神経活動パターンも記録した。加えて、光遺伝学を組み合わせた実験も並行して行い、PV陽性神経細胞の役割を検討した。
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| Strategy for Future Research Activity |
観察結果の解析を進め、論文へとまとめ上げていく。またその成果に関して学会等での報告も行う。また、大脳皮質視覚野における研究は近年非常に競争が激しく、独創性という観点から考えると、認知機能に必要であることが知られる他の脳領域へと標的を広げていくことも必要と考えられる。例えば、海馬や同じ大脳皮質でも前頭前皮質など、より高次な認知機能・記憶との相関の深い領域の情報処理機構は非常に興味深い。これらの標的での観察を通じて、神経回路による情報処理メカニズムの多様性、及び共通性を明らかにし、脳内情報処理機構をより深く理解していく。
その際に、前初期遺伝子であるc-fosやArcなどの活動をモニターするシステム・トランスジェニックマウスなどを導入することで、記憶や学習との関連の深い神経細胞を標識しながら観察・操作する手法も十分に取り入れ、研究を進めていく。
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| Causes of Carryover |
２８年度で全ての解析まで完成させる予定であった。しかし、非常に大量のデータを取得した結果、より深い解析を通じて、さらに興味深い考察が可能となった。成果報告のタイミングを変更し、それに要する経費がかからなかったため、未使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
このため、次年度は画像解析と、そこから得た成果を論文や学会などを通じて報告して行くこととし、未使用額はそのための経費に充てることとしたい。
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