2018 Fiscal Year Research-status Report
情動記憶形成過程における脳内情報処理機構の時空間的変遷
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18K06536
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| Research Institution | National Institute for Physiological Sciences |
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Principal Investigator |
揚妻 正和 生理学研究所, 基盤神経科学研究領域, 特任准教授 (30425607)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 二光子イメージング / population coding / 恐怖条件付け / 前頭前野 / 光遺伝学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大脳皮質内側前頭前野（mPFC）は「情動」の制御に重要であると考えられる。しかしながら、従来の技術的な制約もあって、特に行動中の動物から神経「集団」の活動を記録することで初めて調べられるような「神経群ネットワークとしての情報処理」に関する知見は、これまでのところ特にmPFCに関して非常に限定的である。本研究では、1) 2光子イメージングによる多数の神経活動の経時的観察、2)深部イメージング、3) それらと光遺伝学を「同時に」行うための光学系、を統合させた独自のシステムを用い、擬似自由行動中のマウスmPFCでの神経活動の「記録・操作」を進めていく。そしてそれら技術を利用して、情動記憶形成過程における脳内情報処理機構の時空間的変遷を把握し、その仕組みを理解することを目的としている。
これまでのところ、他の項目（現在までの進捗状況、今後の研究の推進方策）に記載するように、学習の前、最中、及び学習後の記憶想起中のマウスから、神経集団活動データの記録ができており、多くのデータを得た。さらに、数理学的なアプローチによりこれらの観測で得られたデータの解析を進めてきた。その結果、学習の過程や成立後における神経活動の変化など、記憶との関連が示唆されるいくつかの現象を検出している。また並行して、そこから得られた仮説を検証するために、神経活動操作技術の開発・光学系の構築も進めてきた。次年度以降の展開に向けて、計画通り順調に進んでいると考えている。
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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
２光子神経活動イメージング技術により、多数の神経からの同時活動記録を行った。情動に関わるmPFCからのイメージングには、マイクロプリズムを利用した深部イメージング技術を用いた。正中に沿って滑り込ませることで、神経結合を切断することなく深部に到達できるため、低い侵襲性を担保することができた。遺伝子コード型センサーの導入により長期的に細胞を標識し、従来困難であった「同一の神経細胞における学習前後での神経活動パターンの比較」を実現した。実験は頭部固定中の擬似自由行動可能なマウスを用いて行い、恐怖条件付けという古典的な学習を行うマウスからの神経活動記録を進めることが出来た。
それらの技術を用いることで、学習の前、最中、及び学習後の記憶想起中のマウスから、神経集団活動データの記録ができている。すでに多くのマウスからデータが得られており、現在はこれらのデータの解析を進めている。計画に従い、機械学習の専門家との共同研究を進めており、それに加えて、記憶との関連が想定されるアンサンブル（神経細胞集団としての活動）の検出も試みている。それ以外にも、学習の過程や成立後における神経活動の変化など、記憶との関連が示唆される様々な現象を検出している。
さらに、イメージングにより観察されたそれらの神経活動の意義、情動との関連性を検証するために、数理学的な手法に加えて、「今後の研究の推進方策」の項で述べるような「光遺伝学」により直接的に因果関係を調べる準備を各種進めている。
従って、次年度以降の展開に向けて、計画通り順調に進んでいると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは、解析によるイメージングデータの解読をさらに進め、脳内情報処理機構の時空間的変遷をより詳細に迫っていく。神経活動としては、恐怖を想起するような音（条件刺激）に対しての反応のみならず、嫌悪刺激そのものへの反応、逆に報酬に対しての反応、学習前の音そのものへの反応、そして動いたりすくみ行動をとったりすることによる反応など、様々な脳活動がデータとして同一マウスの同一細胞群から記録できている。これらのデータを系統的に調べていくことで、各神経細胞の個性ごとの役割の違いなども検証していく。
また解析で得られた結果を元に、光遺伝学による因果関係の解明についても進める。まずは光学系構築を進めておき、解析が終わった段階で実際の検証実験に移行する。これまでに我々は、PV陽性の抑制性神経が視覚情報をコードするのに重要であることを明らかにした（Agetsuma et al., 2017）。PV細胞を光で特異的に抑制する方法により、本来PV細胞は、神経回路の同期性制御を介して情報量を制御することが分かった。そこで本研究でも、光遺伝学によるPV細胞の活動操作を行い、同期性の変化の誘導とそれによるマウス情動反応の変化を観察し、情動記憶を成立させるための基盤を明らかにしていく。また、光遺伝学的な神経活性化による記憶の「再生」も試み、観察された神経活動の意義を検証する。c-fosプロモーターを利用した記憶コード神経細胞群の標識や、SLMを利用した任意の神経細胞集団の活性化法（Packer et al., 2014）を導入し、光による人工的なパターン再生を行うことで、観察された神経活動の「記憶コード」への関与を調べる。特にSLMを利用した任意の神経細胞集団の活性化法に関しては、共同研究を通じて推進している。これらをできるだけ速やかに完成させ、検証実験へと展開する。
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