コリン作動系による線条体マイクロサーキットの認知柔軟性実行メカニズムの解明

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K03178
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 橋本 佳奈 (岡田佳奈) 広島大学, 医系科学研究科(医), 研究員 (50528263)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 神経回路網

Outline of Annual Research Achievements

認知柔軟性とは、動物が刺激と行動、報酬の間の連合関係などを学習した後で、その刺激―反応―結果間の関係の変化に合わせて行動を変化させていく能力のことである。この行動柔軟性の実行には、適切な記憶・ 学習や状況の変化に対する気付き、適切な行動の判断、行動のコントロールと実行、というような様々な能力を要するため、大脳皮質－基底核回路を含む様々 な脳領域を介した神経機構が推定されるが、その機構に関しては、まだ十分に明らかではない。本研究では、この回路内でも特に報酬についての学習と行動に関して重要であり、特徴的なマイクロサーキットを持つ線条体に注目し、認知柔軟性に関与することが度々報告されている背内側線条体コリン作動性介在神経細胞を中心 とした神経機構が認知柔軟性の機能をどのように果たしているのかを解明する。既に背内側コリン作動性介在神経細胞損傷が弁別学習のタイプや試行間間隔の長 さによって行動柔軟性を抑制したり亢進したりすることを明らかにしてきた。これまでの本研究によって、試行間間隔の違いによって起こる背内側線条体コリン作動 系による空間逆転学習の双方向制御にとって、逆転学習時のコリン作動性神経細胞の活動こそが重要なのであって、薬理学的手法と損傷手法によるコリン作動系 の不活性化の手法の違いや不活性化の時期の違い、当該神経細胞の損傷によって起こる前頭前野や線条体などでのニコチン作動性受容体の増加に代表される神経 回路の物理的変化が重要な要因ではないことが示唆されている。続いての本年度の検討により、試行間間隔の長さの違いによって線条体とその関連回路の空間逆転学習中の神経細胞活動の様相の違いが示唆された。　特に、背内側線条体に入力する前頭前皮質の時系列的な活動は、試行間間隔の長い場合の逆転学習初期において背内側線条体のものとより強く相関していることが分かった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本年度の研究では、化学遺伝学的/光遺伝学的手法を用いて背内側線条体のコリン作動性介在神経細胞を時期選択的に活動抑制し、その間の学習課題における行動の柔軟性を検討するととも に、それの制御に伴う線条体マイクロサーキットの神経活動の様相を電気生理学的に検討することを目的としていた。野生型ラットを用いて、空間逆転学習課題における試行間間隔の長短に対して、線条体とその関連領域(前頭前野、視床、海馬)の細胞外活動と行動成績がどのような関係にあるかを検討した結果、長いI試行間間隔条件において、逆転学習行動の獲得が比較的早まるとともに細胞外活動記録(LFP, MUA)では、特に逆転学習初期のの前頭前野-線条体の回路の低周波数帯域での協調的活動が活発であったことが分かった。これは、逆転学習の促進において、皮質から線条体への入力が重要であることを示唆するものであり、マイクロサーキットの考察において皮質から線条体コリン作動性介在神経細胞へ投射への注目が必要であるという結論を導くものであった。しかし、次に、化学遺伝学的アプローチによって、線条体コリン作動性介在神経細胞特異的に、可逆的な不活性化を可能にし、当該神経細胞の逆転学習の制御に関わる時期を特定しようとしたところ、Cre依存的に神経細胞に対して化学遺伝学的もしくは光遺伝学的操作を可能にするウイルスベクターを作成したところ、非特異的組み換えが一定の割合で生起したため、予定していた行動実験を行う前段階として、非特異的組み換えの起こりにくいウイルスベクターの開発が必要になったため。(すでに非特異的な組み換えが起こりにくいCre依存的な発現を可能にする構造の極めて強力な候補が見つかっている)

Strategy for Future Research Activity

非特異的な組み換えを防ぐとともにCre依存的な遺伝子発現を可能にするであろう構造が見つかったため、この構造を用いて化学遺伝学的/光遺伝学的手法を用いて背内側線条体のコリン作動性介在神経細胞を時期選択的に活動抑制し、その間の学習課題における行動の柔軟性を検討する。それとともに、それの制御に伴う線条体マイクロサーキットの神経活動の様相を電気生理学的に検討する。以上の検討によって、背内側線 条体コリン作動性介在神経細胞が認知柔軟性における線条体マイクロサーキットの動態変化に対してどのような役割を果たすのかを因果論的に考察する。

Causes of Carryover

計画遅延のため、遺伝子改変動物に要する費用として取りおいていた費用の会計手続きが完了できなかった。次年度早々には会計手続きが完了するものと思われる。