Structure of behavior: comparative cognitive neurobiological approach

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18KK0070
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 兎田 幸司 慶應義塾大学, 文学部(三田), 助教 (60794948)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 櫻井 勝康 筑波大学, 国際統合睡眠医科学研究機構, 助教 (70507920) ; 橘 吉寿 神戸大学, 医学研究科, 准教授 (50373197)
• Project Period (FY): 2018-10-09 – 2021-03-31
• Keywords: 時間知覚 / 条件づけ / 学習 / 運動 / リッキング / ケモジェネティクス / オプトジェネティクス / マウス

Outline of Annual Research Achievements

物質である脳の神経細胞の電気・化学的な活動から、どのように「行動」が生み出されているのだろうか。本研究計画においては、心理学がその歴史において洗練させてきた行動課題を、画像解析や計算理論などの技術を用いてアップデートし、神経生物学的な技術と融合させることを通して、行動を担っている心理学的および神経生物学的基盤について解明することを目標として研究を行った。研究費の助成を受けていた3年間を通して、遺伝子改変マウスを利用可能な実験系を用いて、頭部固定および自由行動下において、多くの新規な行動課題を確立させた。頭部固定を用いた実験では、古典的な条件づけとオペラント条件の両方において、嗜好性と嫌悪性ともに、短期間で訓練可能な学習課題を開発するだけではなく、各種の課題を遂行している最中に、瞳孔や瞬きなどといった動物の生体指標を記録し、動物が行っている運動についても詳細に計測することが可能となった。データ解析についても、複数のデータを加算した平均値を捉えるだけではなく、単一試行での詳細なデータ解析を通じて、これまで以上に詳細な「行動」や「反応」といったものを形成している「構造」についても調べることが可能となった。さらに、こうした新しい実験系を用いて、「学習」、「記憶」、「運動」、「行動の柔軟性」、「時間」、「習慣」、「社会性」などといったテーマについて、行動薬理学、光遺伝学、化学遺伝学の手法を用いて、神経細胞の活動を操作することにより、各種の行動に及ぼす影響について解明した。課題中の特定の神経細胞の種類や経路を選択的に操作し、単一ではなく複数の行動課題で操作が行動に及ぼす影響について比較することができるようになった結果、「行動」を生み出す心理学的および神経生物学的な「構造」について、これまで以上に包括的な理解が可能となった。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Duke University/University of Tennessee(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Duke University/University of Tennessee
• [Int'l Joint Research] Koc University(トルコ)
  • Country Name: TURKEY
  • Counterpart Institution: Koc University
• [Int'l Joint Research] University of Manitoba(カナダ)
  • Country Name: CANADA
  • Counterpart Institution: University of Manitoba
• [Journal Article] Widespread corticopetal projections from the oval paracentral nucleus of the intralaminar thalamic nuclei conveying orofacial proprioception in rats (2021)
  • Author(s): Tsutsumi Yumi, Mizuno Yuka, Haque Tahsinul, Sato Fumihiko, Furuta Takahiro, Oka Ayaka, Moritani Masayuki, Bae Yong Chul, Yamashiro Takashi, Tachibana Yoshihisa, Yoshida Atsushi
  • Journal Title: Brain Structure and Function Volume: 226 Pages: 1115-1133
  • DOI: 10.1007/s00429-021-02228-5
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pain induces stable, active microcircuits in the somatosensory cortex that provide a therapeutic target (2021)
  • Author(s): Okada Takuya, Kato Daisuke, Nomura Yuki, Obata Norihiko, Quan Xiangyu, Morinaga Akihito, Yano Hajime, Guo Zhongtian, Aoyama Yuki, Tachibana Yoshihisa, Moorhouse Andrew J., Matoba Osamu, Takiguchi Tetsuya, Mizobuchi Satoshi, Wake Hiroaki
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Pages: 8261-8261
  • DOI: 10.1126/sciadv.abd8261
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Posterior subthalamic nucleus (PSTh) mediates innate fear-associated hypothermia in mice. (2021)
  • Author(s): Liu C, Lee CY, Asher G, Cao L, Terakoshi Y, Cao P, Kobayakawa R, Kobayakawa K, Sakurai K, Liu Q
  • Journal Title: Nature Communications Volume: - Pages: -
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dysregulation of the Synaptic Cytoskeleton in the PFC Drives Neural Circuit Pathology Leading to Social Dysfunction. (2020)
  • Author(s): Il Hwan Kim, Namsoo Kim, Sunwhi Kim, Koji Toda, Christina M. Catavero, Jamie L. Courtland, Henry H. Yin, Scott H. Soderling
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 32 Pages: 107965-107965
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107965
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Motor learning requires myelination to reduce asynchrony and spontaneity in neural activity (2020)
  • Author(s): Daisuke Kato, Hiroaki Wake, Philip R Lee, Yoshihisa Tachibana, Riho Ono, Shouta Sugio, Yukio Tsuji, Yasuyo H Tanaka, Yasuhiro R Tanaka, Yoshito Masamizu, Riichiro Hira, Andrew J Moorhouse, Nobuaki Tamamaki, Kazuhiro Ikenaka, Noriyuki Matsukawa, R Douglas Fields, Junichi Nabekura, Masanori Matsuzaki
  • Journal Title: Glia Volume: 68 Pages: 193-210
  • DOI: 10.1002/glia.23713
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ascending projection of jaw-closing muscle-proprioception to the intralaminar thalamic nuclei in rats (2020)
  • Author(s): Sato Fumihiko, Kado Seiya, Tsutsumi Yumi, Tachibana Yoshihisa, Ikenoue Etsuko, Furuta Takahiro, Uchino Katsuro, Bae Yong Chul, Uzawa Narikazu, Yoshida Atsushi
  • Journal Title: Brain Research Volume: 1739 Pages: 146830-146830
  • DOI: 10.1016/j.brainres.2020.146830
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Proprioceptive thalamus receiving forelimb and neck muscle spindle inputs via the external cuneate nucleus in the rat (2020)
  • Author(s): Uemura Yume, Haque Tahsinul, Sato Fumihiko, Tsutsumi Yumi, Ohara Haruka, Oka Ayaka, Furuta Takahiro, Bae Yong Chul, Yamashiro Takashi, Tachibana Yoshihisa, Yoshida Atsushi
  • Journal Title: Brain Structure and Function Volume: 225 Pages: 2177-2192
  • DOI: 10.1007/s00429-020-02118-2
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] General anesthetics activate a potent central pain-suppression circuit in the amygdala (2020)
  • Author(s): Hua Thuy, Chen Bin, Lu Dongye, Sakurai Katsuyasu, Zhao Shengli, Han Bao-Xia, Kim Jiwoo, Yin Luping, Chen Yong, Lu Jinghao, Wang Fan
  • Journal Title: Nature Neuroscience Volume: 23 Pages: 854-868
  • DOI: 10.1038/s41593-020-0632-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A discrete neuronal circuit induces a hibernation-like state in rodents (2020)
  • Author(s): Takahashi Tohru M., Sunagawa Genshiro A., Soya Shingo, Abe Manabu, Sakurai Katsuyasu, Ishikawa Kiyomi, Yanagisawa Masashi, Hama Hiroshi, Hasegawa Emi, Miyawaki Atsushi, Sakimura Kenji, Takahashi Masayo, Sakurai Takeshi
  • Journal Title: Nature Volume: 583 Pages: 109-114
  • DOI: 10.1038/s41586-020-2163-6
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hyper-Activation of mPFC Underlies Specific Traumatic Stress-Induced Sleep?Wake EEG Disturbances (2020)
  • Author(s): Lou Tingting, Ma Jing, Wang Zhiqiang, Terakoshi Yuka, Lee Chia-Ying, Asher Greg, Cao Liqin, Chen Zhiyu, Sakurai Katsuyasu, Liu Qinghua
  • Journal Title: Frontiers in Neuroscience Volume: 14 Pages: 883-883
  • DOI: 10.3389/fnins.2020.00883
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of systemic oxytocin manipulations on social hierarchy in mice. (2020)
  • Author(s): Nasukawa, D., Ujihara, Y., Yamada, K., Yatagai, S. & Toda, K.
  • Organizer: 日本動物心理学会第80回大会
• [Presentation] Conditioned licking suppression in head-fixed mice. (2020)
  • Author(s): Niki, Y., Ujihara, Y., Yamada, K., Yatagai, S. & Toda, K.
  • Organizer: 日本動物心理学会第80回大会
• [Presentation] Reversal learning in head-fixed mice. (2020)
  • Author(s): Toda K., Yamamoto K., Yamada, K., Niki, Y., Nasukawa, D., Yatagai, S. & Ujihara, Y.
  • Organizer: 日本動物心理学会第80回大会
• [Presentation] Effects of pharmacological manipulations of dopamine receptors on learning and memory in head-fixed mice. (2020)
  • Author(s): Yamada, K., Ujihara, Y. & Toda, K.
  • Organizer: 日本動物心理学会第80回大会
• [Presentation] Effects of optogenetic manipulations of GABAergic neurons in the hippocampus on interval timing in head-fixed mice. (2020)
  • Author(s): Yatagai, S., Ujihara, Y., Niki, Y., Yamada, K., Sakurai, K. & Toda, K.
  • Organizer: 日本動物心理学会第80回大会
• [Presentation] Developing new auditory prosthesis: auditory perception evoked by trans-tympanic laser stimulation in Mongolian gerbil. (2020)
  • Author(s): Uenaka et al., Tamai, Y., Ito, Y., Toda, K., Hiryu, S. & Kobayasi, KI.
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第42回大会
• [Presentation] Let there be sound: auditory perception evoked by trans-tympanic laser stimulation in Mongolian gerbils. (2020)
  • Author(s): Uenaka, M., Tamai, Y., Ito, Y., Toda, K., Hiryu, S. & Kobayasi, KI.
  • Organizer: 日本動物心理学会第80回大会
• [Presentation] Effects of pharmacological manipulations on interval timing in head-fixed mice. (2020)
  • Author(s): Ujihara, Y., Yatagai, S., Niki, Y., Yamada, K. & Toda, K.
  • Organizer: 日本動物心理学会第80回大会
• [Presentation] Does laser irradiation of auditory nerves create auditory perception? (2020)
  • Author(s): Tamai, Y., Uenaka, M., Ito, Y., Toda, K., Furuyama, T., Hiryu, S. & Kobayasi, KI.
  • Organizer: 日本神経科学学会第43回大会