2020 Fiscal Year Research-status Report
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17K07056
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
田村 弘 大阪大学, 生命機能研究科, 准教授 (80304038)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 神経回路 / 電気生理 / 多細胞記録 / 視覚 / 視床 / 大脳皮質 / 局所電場電位 / 活動電位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、階層的に配置された各領野における情報処理様式の特徴を、入力の収斂過程と出力の発散過程に注目することで明らかにすることを目指す。当初研究対象とした大脳皮質4層－3層間結合の機能的階層構造が不明瞭であったため、研究対象を機能的階層構造が明瞭であると考えられるラット視床－皮質4層間結合に変更した。計測には、麻酔(ウレタン)動物を用いた。ラット外側膝状体（LGN）から効率的に神経活動を計測するために、電極先端に32個の計測点が密集した電極（NeuroNexus, Poly3）を刺入し、大脳皮質視覚野（V1）には、広範囲から神経活動を計測する目的で、くし状の64ch電極（NeuroNexus, Buzsaki64）を刺入した。視床－皮質同時計測は、新規に構築した96ch計測システムを用いて実施した。2019年度に、18匹の動物を用いて同時計測実験を実施した。グレーティング刺激を眼前に設置したディスプレーより呈示した。すべての計測において明瞭な視覚応答が計測されており、外側膝状体と大脳皮質視覚野より同時計測が行われていることが確認できた。外側膝状体神経細胞のスパイク発火に伴い、皮質視覚野より計測した局所電場電位に顕著な変動（spike triggered average of local field potential, STA-LFP）が観察できた。STA-LFPのピーク潜時は時間遅れを持っていたことから、視床皮質投射における階層性を確認することができた。STA-LFPは皮質上の広範囲の部位から計測可能であった。STA-LFPの振幅が、外側膝状体神経細胞のスパイク発火頻度と発火パターンに依存して変化することを見出した。この成果は、視床皮質経路における視覚情報符号化に頻度符号と時間符号の両方が使用されている可能性を示唆する。
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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
当初研究対象としたサル大脳皮質4層－3層間結合の機能的階層構造が不明瞭であった。そこで研究計画を見直し、研究対象を機能的階層構造が明瞭であると考えられるラット視床ー皮質4層間結合に変更した。新規に導入した多細胞計測システムとスパイクソーティング手法を用いて、ラット視床外側膝状体（LGN）32ch計測と大脳皮質視覚野（V1）64ch計測を同時に実施する手法を確立し、LGN-V1神経活動同時計測実験を2019年度に実施した。当初予定から大きく計画を変更したが、その後のデータ取得・解析は順調に進み、階層性を確認した後、視床皮質経路における視覚情報符号化様式の問題に取り組むことができた。さらに当初計画に加えて、ラット大脳皮質体性感覚野と視覚野神経活動に対して、一般化線形モデルを適用した解析を行い、感覚野神経細胞のスパイク発火が依存する要因（１、感覚刺激；２、周囲の細胞の活動状態；３、自身の活動履歴）の相対的寄与を明らかにすることができた。また、階層的情報処理のモデルとして注目される深層ニューラルネットワークと霊長類大脳皮質視覚関連領野との対応関係を網羅的に調べることで、深層ニューラルネットワークをモデルとして利用する研究を開始した。これらの成果は、原著論文2件、学会発表3件として発表した。さらに現在２篇の論文を投稿準備中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに得られた成果についての取りまとめを行い、原著論文として発表する。同時に引き続き、ラット外側膝状体（LGN）32ch計測と大脳皮質視覚野（V1）64ch同時計測実験により得られたデータについて解析を進める。特に次の３点に注目して解析を実施する。1)単シナプス性情報伝達様式 : LGN神経細胞に発生した単一スパイクがV1神経細胞のスパイク発火確率をどのように変動させるのかを明らかにする。2)LGN単一神経細胞活動のV1神経細胞集団活動への発散過程:上述の相互相関解析を多細胞集団に発展させることで、外側膝状体単一神経細胞に発生した単一スパイクがV1神経細胞集団に広がる様子を時空間パターンとしてとらえる。時空間での広がりや活動のスパース性に注目して、パラメータを抽出し、発散過程を可視化する。3)LGN神経細胞集団活動のV1単一神経細胞活動への収斂過程:同様の手法を用いて、LGN神経細胞集団活動がV1単一神経細胞活動へと収斂する様子を時空間パターンとしてとらえる。パラメータを抽出し、収斂過程を可視化する。得られた成果についての取りまとめを行い、原著論文として発表する。ラット視床後内側腹側核（VPM）32ch計測と大脳皮質体性感覚野（S1）64ch同時計測実験を実施する。得られたデータに対して上述の解析を適用し、領野間比較を行い、情報の収斂・発散過程について、領野間の普遍性・多様性を検討し、原著論文として発表する。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染症の拡大による研究計画変更等に伴い補助事業期間を再度延長する。物品費(実験動物、薬品、解析用計算機など)に30万円、旅費 (国内学会)に4万円、人件費謝金に15万円、その他に15万円使用予定である。
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