2020 Fiscal Year Annual Research Report
Understanding episodic memory mechanisms using replay of place cell activity sequences
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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) |
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)
藤山 文乃 北海道大学, 医学研究院, 教授 (20244022)
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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。それは、独自の電気生理学的記録法に光遺伝学を活用した神経刺激法を組み込むことで、エピソード記憶を想起するメカニズムを、従来不可能であった神経細胞レベルで実証することでもある。同時に本研究では、認知神経科学、情報工学、電気生理学、光遺伝学を融合し、神経細胞活動が表現するエピソードの記憶を操作する独創的な技術を開発する。
本年度は、遅延あり課題を遂行しているラットの海馬から複数の場所細胞活動を長時間にわたり記録した。そして、海馬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、150Hz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し、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試みを継続して実施した。
加えて、場所細胞が経過時間を表現する特性を調べることで、エピソード記憶の構造を理解する試みを実施した。具体的には、トレッドミル上でラットに10秒間の走行を課し、その間に表現される時間受容野と、迷路上の位置を表現する場所受容野の関連性を調べた。今後は、リプレイ中に場所細胞が表現する場所情報と時間情報の関連性を調べることで、エピソード記憶の解読性能を向上させる。そして、オプトジェネティクスを活用し操作したリプレイと、その操作によって誘導された動物行動との因果関係を動物行動学的に分析する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度は、遅延あり課題を遂行しているラットの海馬から複数の場所細胞活動を長時間にわたり記録し、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試みを継続して実施した。
加えて、場所細胞が経過時間を表現する特性を調べることで、エピソード記憶の構造を理解する試みを実施した。具体的には、トレッドミル上でラットに10秒間の走行を課し、その間に表現される時間受容野と、迷路上の位置を表現する場所受容野の関連性を調べた。このように実験自体は順調に進展したが、新型コロナウイルス感染症の拡大により実験がストップした期間が長くあり、当初計画よりもやや遅れが生じている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、リプレイの操作についての研究を進展させる。光遺伝学に基づく神経刺激法により場所細胞活動を興奮あるいは抑制させる刺激システムを活用する。まず、場所細胞の活動を興奮させる予定であるが、リプレイ中に現れる場所細胞の時系列的活動を再現させることは難しいかもしれない。これに対して介在細胞は、電気的なシナプス接続により、瞬時に広範囲の錐体細胞を抑制できることが知られている。そこで、介在細胞を興奮させ、その抑制作用により間接的に場所細胞を操作することも予定している。本研究では、研究分担者との共同研究により、細胞種とその形態を詳細に同定することによって、そのような光刺激の影響範囲について詳細に調べあげる。また、スライス標本を用いたパッチクランプ法により、光による最適刺激強度を同定することによって、過剰な刺激により場所細胞の神経回路網そのものが破壊されたことによる疑陽性反応を排除する。操作されたリプレイと、その操作によって誘導された動物行動との因果関係を動物行動学的に分析する。動物行動については、最新の深層学習法を活用した行動追跡法を活用し、場所細胞活動と動物行動との対応関係を詳細に分類する。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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