2019 Fiscal Year Annual Research Report
場所細胞活動のリプレイを活用したエピソード記憶メカニズムの理解
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19H01131
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| Research Institution | Doshisha University |
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Principal Investigator |
高橋 晋 同志社大学, 脳科学研究科, 教授 (20510960)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤山 文乃 同志社大学, 脳科学研究科, 教授 (20244022)
苅部 冬紀 同志社大学, 研究開発推進機構, 准教授 (60312279)
井出 薫 同志社大学, 研究開発推進機構, 助教 (90806671)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 場所細胞 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、動物が道に迷い静止した際に、海馬の場所細胞が移動中の約10倍速の早送りモードで再活性化される「リプレイ」現象に着目し、そのリプレイと、そこで表現されるエピソード記憶の因果関係を解明することを目指す。
本年度は、10倍速の早送りモードで再生される場所細胞活動のリプレイを長期間にわたり確実かつ安定に検出し、そこから目標とするリプレイを選択的に操作するために、場所細胞活動を大規模に記録し、光遺伝学に基づく神経刺激技術を確立した。プロトタイプを作成するためのプリント基板の製作や、3D CAD(Computer Aided Design)による設計と3Dプリンタによる製作工程を活用して、遺伝子改変を比較的容易に行うことができるマウスにも装着可能なマイクロドライブを開発した。更に、遺伝子組み換え技術を活用したCre-LoxP部位特異的組換え法により、抑制性のパルバルブミン(PV)陽性ニューロンに対して特異的にChR2を発現させ、場所細胞の集団活動を抑制により操作する試みを実施した。PV陽性ニューロンに特定的にCre組み換え酵素を発現するラット及びマウスを活用し、PV陽性細胞のみを選択的に光操作する実験を分担研究者の藤山や苅部と共同して実施し、その成果の一部を論文として報告した。目標とするエピソードを表現するリプレイを、リプレイ現象の開始直後に予測することで、そのリプレイを消去あるいは強化することができる。そこで、深層学習法により、動物の移動軌跡を追跡するシステムを確立した。
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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
本研究では、動物が道に迷い静止した際に、海馬の場所細胞が移動中の約10倍速の早送りモードで再活性化される「リプレイ」現象に着目し、そのリプレイと、そこで表現されるエピソード記憶の因果関係を解明することを目指す。
本年度は、10倍速の早送りモードで再生される場所細胞活動のリプレイを長期間にわたり確実かつ安定に検出し、そこから目標とするリプレイを選択的に操作するために、場所細胞活動を大規模に記録し、光遺伝学に基づく神経刺激技術を確立することができた。また、プロトタイプを作成するためのプリント基板の製作や、3D CAD(Computer Aided Design)による設計と3Dプリンタによる製作工程を活用して、遺伝子改変を比較的容易に行うことができるマウスにも装着可能なマイクロドライブを開発することもできた。更に、遺伝子組み換え技術を活用したCre-LoxP部位特異的組換え法により、抑制性のパルバルブミン(PV)陽性ニューロンに対して特異的にChR2を発現させ、場所細胞の集団活動を抑制により操作する試みを実施した。PV陽性ニューロンに特定的にCre組み換え酵素を発現するラット及びマウスを活用し、PV陽性細胞のみを選択的に光操作する実験を分担研究者の藤山や苅部と共同して実施し、その成果の一部を論文として報告することができた。深層学習法により、動物の移動軌跡を追跡するシステムを確立した。このように、目標としていた研究開発事項を全て達成することができたため、本研究課題は、概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、これまで築き上げてきた多くの手法を統合しさらに光遺伝学を融合することで、目標とする場所細胞活動のリプレイを選択的に操作する。そして、エピソード記憶の脳内神経機構を、従来不可能であった神経細胞レベルの脳活動動態として解明する。
神経生理実験をスタートし、目標とするエピソードを表現するリプレイだけを選択的に操作する。前年までに開発する手法により、場所細胞活動のリプレイに表現されているエピソードの記憶を解読する。そして、そこから目標とするエピソードに合致するリプレイを光刺激により選択的かつ瞬時に操作する。最終的に、その操作と、それによって誘起される動物行動との因果関係を行動学的に分析することで、エピソード記憶のメカニズムを認知神経科学、実験心理学、神経生理学の観点から多角的に考察する。
最近開発し、特許出願した再構成可能な迷路【髙橋晋,特願2017-252076】を活用し、参照記憶、手続き記憶、エピソード様記憶を連続的に課す複合迷路課題をラット/マウスに訓練する。
課題遂行中に、海馬CA1野から、複数の場所細胞活動を長時間にわたり記録する。海馬CA1野の錐体細胞層に配置した電極から記録する局所脳波から、120Hz周波数帯に現れる鋭波の立ち上がりを検出することにより、リプレイの発生を事前に予測する。そして、その際の場所細胞集団の活動をベイズ推定法により解析することにより、リプレイ中に場所細胞によって表現されるエピソードの内容を解読する。今後完成させる予定の事前予測法を活用することで、目標とするリプレイが終了する前に刺激システムを起動する。
様々なタイミング、頻度等でリプレイを操作することにより、エピソード記憶の脳内神経機構について、認知神経科学、実験心理学、神経生理学の視点から総合的に考察する。
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Research Products
(11 results)
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[Journal Article] The Reconfigurable Maze Provides Flexible, Scalable, Reproducible, and Repeatable Tests2020
Author(s)
Hoshino, S., Takahashi, R, Mieno, K., Tamatsu, Y., Azechi, H., Ide, K., Takahashi, S
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Journal Title
iScience
Volume: 23
Pages: 1-10
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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