2017 Fiscal Year Research-status Report
連合学習における脳領域間ニューラルネットワーク可塑的変化の可視化
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16K09732
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| Research Institution | Soka University |
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Principal Investigator |
根本 正史 創価大学, 公私立大学の部局等, その他 (80370980)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木暮 信一 創価大学, 理工学部, 教授 (10133448)
川井 秀樹 創価大学, 理工学部, 准教授 (90546243)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 脳活動イメージング / 神経可塑性 / 連合学習 / ニューラルネットワーク |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，学習・記憶のメカニズムを脳領域間のニューラルネットワークの可塑的変化として捉え，その基盤の上に出現する脳活動の変化をmesoscopicなレベルで可視化，学習における各脳領域の役割を明らかにすることである。具体的には，2種類の感覚刺激を関連させて連合学習を行い，その前後で内因性信号による脳活動イメージングを行う。連合させる刺激において，片側後肢電気刺激を無条件刺激 (unconditioned stimulus, UCS)として固定し，条件刺激(conditioned stimulus, CS)を，A聴覚刺激 (周波数弁別課題) B視覚刺激 C-1前肢体性感覚刺激 C-2頬ヒゲ体性感覚刺激 (ヒゲ位置弁別課題)として，どれが学習，記憶の効果を脳機能マップの変化として分析しやすいかを検討した。当初，聴覚野では音周波数帯域によるtonotopyがあり，周波数弁別課題を与えた時の学習前後のtonotopyとUCSに対する後肢領域の可塑的変化を観察する予定であったが，連合する聴覚野と後肢体性感覚野を顕微鏡同一視野におくことが煩雑であった。そこで，B視覚刺激とC-1前肢体性感覚刺激に変更し，前者は頭頂-後頭部の骨窓作製，後者は頭頂-前頭・側頭部の骨窓作製で，CS-UCS連合刺激の反応領域を同一視野に収めることが可能であった。これらの内因性信号を，覚醒下・自由行動中の計測を想定してGoPro Hero4カメラを用いて検出した。結果は，連合学習をする前段階から， 2種類の刺激を様々な時間差で繰り返し与えると，一次体性感覚野内，体性感覚-視覚野間の脳活動が，相互干渉する現象が観察された。これらのGoPro Hero4カメラによる脳活動イメージング法については，第94回日本生理学会で発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
(1) 当初，聴覚-体性感覚の連合学習を想定していたが，同時イメージングが容易にできる妥当な条件刺激として，現時点では，まず体性感覚野間での連合を検討している。特に，頬ヒゲ位置弁別課題が自由行動中のラットに適用可能になれば， 聴覚野のtonotopyに類似して，Whisker Barrel野も機能的column構造が明確化しているので，学習前後で，それぞれのcolumn構造がexpandするのか，regressionするのか，mesoscopicなレベルで可視化できる。このように，目的に相応しく，かつ実現可能な条件刺激の選択に時間を要し，進捗がやや遅れているとした。聴覚野については，次のステップとする。(2) 現在，覚醒下・自由行動中のラットに連合学習を行わせる為に，前・後肢及び頬ヒゲの刺激をWi-Fi遠隔操作で実現するシステム(生体電位連動-植え込み型刺激装置)を工学部教員と共同で構築中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の推進方策として以下3点を挙げる。 (1) GoPro Hero4カメラによる内因性信号を，従来型のCCDカメラ(BITRAN社製CCDカメラ: BU-61)の内因性信号と比較して，その定量的妥当性(局所の総Hemoglobin量やOxy-Deoxyの酸素化度)について，同時計測で検証する。 (2) 現在，可視光領域の吸収変化のイメージングで脳活動を描出しているが，フラビンの内因性蛍光やIndocyanine Greenを用いた蛍光のイメージングで，脳活動が描出できないかも検討する。(3) 連合学習を行う為の，ビデオ行動観察装置付きオペラントケージの作製を行う。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額については，学会出張旅費が，東京近辺の横浜と幕張であったことにより低額で済んだこと，および，ラットの連合学習の為のオペラントケージが未作製であり，一方，CCDカメラのイメージング装置を購入し，その差分の残高として少額だが，次年度使用額が生じた。平成30年度は，連合学習の為のオペラントケージをはじめとした装置や道具を作製する予定である。脳局所への薬物注入装置については，連合学習の進捗状況で，支出となるかどうか決定する。
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