2020 Fiscal Year Annual Research Report
Mechamisms underlying information processing in idling brain
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18H05213
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| Research Institution | University of Toyama |
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Principal Investigator |
井ノ口 馨 富山大学, 学術研究部医学系, 教授 (20318827)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
深井 朋樹 沖縄科学技術大学院大学, 神経情報・脳計算ユニット, 教授 (40218871)
高雄 啓三 富山大学, 学術研究部医学系, 教授 (80420397)
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| Project Period (FY) |
2018-04-23 – 2023-03-31
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| Keywords | 神経科学 / アイドリング脳 / 記憶エングラム / 睡眠 / リプレイ / 潜在意識 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．アイドリング脳の活動と機能： マウス推論課題では、学習後のREM睡眠中の前頭前野の神経活動が正しい推論に必要であることを示した。さらに、不完全な学習後のREM睡眠時に前頭前野の神経活動を亢進すると推論成績が上昇したことから、REM睡眠の新たな機能が明らかになった。共通性抽出課題では、2つの課題遂行後のNREM睡眠時の前頭前野エングラム細胞活動が重要であること、さらに、それぞれの記憶に対応したエングラム細胞の共活動パターンにより共通性が抽出されていることを明らかにした。スキーマに関しては、最初の学習後のREM睡眠中に出現する前頭前野の神経活動パターンが、2つ目の学習の最中に再出現することを見いだした。REM睡眠時に現れるこの特徴的な活動パターンがスキーマ形成に関与している可能性がある。記憶エングラムの生成原理に関しては、睡眠中に過去のエングラム細胞と共活動する細胞群が、その後の学習の記憶エングラム細胞となることを示した。
当初の予定にない成果として、短期記憶エングラムが記憶忘却後もサイレント型として海馬CA1で継続して存在することを発見した。短期記憶サイレントエングラムは、再活性化により強化され長期記憶エングラムとなること、それにはNREM睡眠が必要であることを示した。
２．数理モデル： 海馬CA3のシナプス学習規則が、時系列発火を示すセルアセンブリを自発発火中に生成することを示した。嗅内野ー海馬神経回路による記憶の書き込み、保持、読み出しの回路メカニズムを発表した。新しく提案した学習規則を用い自発発火に刺激の出現確率を埋め込む回路モデルを構築した。
３．瞑想モデル： マウスの行動をある程度制限し、環境照明を呼吸速度に応じてフィードバックさせることでオペラント学習をさせることにより、マウスの呼吸について安定して遅くさせることに成功した。
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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
推論・共通性抽出・スキーマなどの情報処理において、学習後のアイドリング脳活動が重要な働きをしていることを示した。その際の大脳皮質前頭前野の神経細胞の特徴的な活動パターンを同定したことで、今後の研究の大きな展開が見込まれる。また、記憶エングラムの生成原理に迫る新たな知見が得られるなど、研究は順調に進捗している。さらに、短期記憶サイレントエングラムの発見は、潜在意識下の脳活動が従来考えられていた以上に様々な機能を有することを示しており、アイドリング脳研究という新たな学術分野の創成への展望が開けてきた。
数理モデルについては、海馬CA3の自発発火モデルの研究は順調に進捗しており、新しい学習規則がプリプレイに有利に働くことなどが明らかになりつつある。自発発火モデルに経験確率（事前分布）を埋め込むことに成功したが、神経活動パターンが過去の実験報告と異なるため、他の可能性も検討中である。また井ノ口らの実験結果に基づき、睡眠時リプレイ活動の推論に於ける役割を探る回路モデルを模索している。このように研究は順調に進んでいる。
瞑想モデルに関しては、完全な自由行動下で照明条件をマウスにとって至適にすると活動性が亢進してしまうという問題があったが、マウスを筒状のチャンバーに入れることで、活動を制限し、またトレーニング中かどうか、また目指すべき呼吸のリズムについて分かり易くするため音を提示することとし、それによって安定してマウスの呼吸を遅くすることができるようになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．アイドリング脳の活動と機能： 「推論」、「論理的意思決定」、「スキーマ」などの情報処理について、超小型内視蛍光顕微鏡nVistaやU-FEISを用いたin vivoカルシウムイメージング法で、課題遂行中やアイドリング時の神経細胞集団の活動を測定し、得られる大規模データの数理解析を行い、セルアセンブリ活動などの特徴を抽出する。特にアイドリング時のどのような神経活動により情報が処理されているのかを明らかにする。また、潜在意識下に存在するサイレントエングラムを構成する神経細胞群の活動の特徴をin vivoカルシウムイメージング法で抽出する。さらに、アイドリング状態の時に経験の事前分布を表現するプレプレイ細胞群の機能解析から、記憶エングラムの生成原理を探る。
２．数理モデル： 海馬CA3の自発発火モデルと事前確率分布のモデルは、年度内の論文発表を目指す。また推論の回路モデルでは、覚醒時に得た断片的知識を、睡眠時自発発火により論理的に関連付けることを狙う。そのために、最近、注目されている海馬のsuccessor representationを利用する。
３．瞑想モデル： マウスに安定して遅い呼吸を誘導することが可能となったため、今後は遅い呼吸誘導がマウスの行動特性にどのような影響を与えるか網羅的行動テストバッテリーにより評価を行う。また、呼吸様式が脳に影響を与える場合の神経経路についても検討を行う。
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[Journal Article] Canonical versus non-canonical transsynaptic signaling of neuroligin 3 tunes development of sociality in mice2021
Author(s)
Yoshida T, Yamagata A, Imai A, Kim J, Izumi H, Nakashima S, Shiroshima T, Maeda A, Iwasawa-Okamoto S, Azechi K, Osaka F, Saitoh T, Maenaka K, Shimada T, Fukata Y, Fukata M
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 12
Pages: 1848-1848
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Vascular PDGFR-alpha protects against BBB dysfunction after stroke in mice.2021
Author(s)
Nguyen QL, Okuno N, Hamashima T, Dang ST, Fujikawa M, Ishii Y, Enomoto A, Maki T, Nguyen HN, Nguyen VT, Fujimori T, Mori H, Andrae J, Betsholtz C, Takao K, Yamamoto S, Sasahara M.
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Journal Title
Angiogenesis
Volume: 24
Pages: 35-46
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Pre-configured ensembles are recruited into upcoming hippocampal engram.2020
Author(s)
Ghandour K., Ohkawa N., Fung C.C.A., Asai H., Saitoh Y., Takekawa T., Nishizono H., Sato M., Ohkura M., Nakai J., Hayashi Y., Fukai T., and Inokuchi K.
Organizer
第43回日本神経科学大会
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[Presentation] 学習・記憶を担う海馬神経細胞集団の構築2020
Author(s)
浅井裕貴, 鈴木(大久保) 玲子, 金子涼輔, 大川宜昭, 斎藤喜人, Ghandour K., 村山絵美, 西園啓文, 松尾美奈, 平山晃斉, 村松慎一, 八木健, 井ノ口馨
Organizer
第43回日本神経科学大会
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