2020 Fiscal Year Annual Research Report
Learning-promoted synaptic diversity and a possible encording rule of CA1 pyramidal neurons
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19H03402
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Research Institution | Yamaguchi University |
Principal Investigator |
美津島 大 山口大学, 大学院医学系研究科, 教授 (70264603)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西井 淳 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (00242040)
石川 淳子 山口大学, 大学院医学系研究科, 助教 (30570808)
崎本 裕也 山口大学, 大学院医学系研究科, 講師 (40634390)
木田 裕之 山口大学, 大学院医学系研究科, 講師 (70432739)
呉本 尭 山口大学, 大学院創成科学研究科, 助教 (40294657)
村井 礼 山口大学, 国際総合科学部, 准教授 (30279111)
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Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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Keywords | リップル波 / エピソード記憶 / 海馬CA1 / 興奮性シナプス / 抑制性シナプス / decoding / super burst / neural code |
Outline of Annual Research Achievements |
海馬CA1で多ニューロン自発発火活動を記録すると約50msecに発火活動が同期するリップル様発火活動 (リップル波) が何百何千と繰り返し記録される。今年度は、数万リップル間の類似性を網羅的に解析した。実験には15~25週齢のSD系雄性ラットを用い、自由行動状態で海馬CA1内の多ニューロン発火活動を記録した。十分馴化したホームケージ内で15分間記録し、4種類のエピソード (拘束ストレス、雌との接触、雄との接触、新奇物体との接触) のいずれかを10分間経験させた後、ホームケージ内で記録を続けた。2リップル間の類似度はDTW法 (動的時間伸縮法) を用いて解析し、類似度が最短となるルートを割り出し、Euclid距離を求めた。DTW法は、長さが異なる波形同士の類似度を波形の伸縮を許容して柔軟に評価できる解析法であり、制限幅(Sakoe-Chiba-Band)は2リップルの長さの平均の20%に設定した。さらに、リップル間のEuclid距離は検出された経路長で補正し、単位長さあたりの距離として評価した。アルゴリズムの実装にはPythonを使用し、数万ペアの類似度を数値化した。得られた値はエピソード群 × 時間を要因とする2-way ANOVAを行い、post-hoc解析で群間比較した。結果、エピソード群 (F 3, 66841 = 995.788)、時間 (F 3, 66841 = 244.522)、相互作用 (F 9, 66841 = 106.677)の全てに有意差が認められた。拘束ストレスや雌との接触によって類似度が劇的に低下して、Euclid距離の長い(あまり似ていない)リップルペアが増大した。雄との接触でもEuclid距離は若干長くなり維持された。一方、新奇物体との接触では若干Euclid距離が短くなり維持された。エピソード間全てに有意差があり、エピソード特異性も明らかとなった。以上、リップル間の類似度を網羅的に分析すれば、リップル間Euclid距離の1変数で4種の過去エピソードを事後判定できることが初めて確認された。
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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
海馬CA1で多ニューロン自発発火活動を記録しながら、雄ラットにエピソードを経験させ、約50msecに発火活動が同期するリップル様発火活動 (リップル波) を何百何千と繰り返し記録した。当研究室ではPythonアルゴリズムを用いて、数万ペアに及ぶリップル間距離の網羅的解析に初めて成功した。分担研究者である西井との研究ではリップル波に内含されるバイナリーコードを抽出し、01化した。分担研究者である呉本との研究では、記録データの深層学習を行い、発火活動から経験内容を事後判定できることを確認した。また、当研究室で発見した、内因性高頻度発火活動(super burst)についてはmuscarinic ACh receptor antagonistによって発生阻止できることを確認した。イメージング解析では、AAV2-GFPウィルスベクターを海馬CA1にmicroinjectionしてエピソード学習を行い、CA1ニューロン群のスパイン変化を可視化した。さらにThy1ーYFP transgenic miceを用いて脳硬膜外にガラスの観察窓(φ=4mm)を設置し、多光子顕微鏡を使って運動学習前後のスパイン形態観察を行っている。
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Strategy for Future Research Activity |
令和3年度も引き続き海馬CA1で発生するリップル波を解析する。分担研究者の西井らがpythonアルゴリズムを使って抽出したリップル波のバイナリーコードを用いれば、電極間、エピソード間を超えた数十億pairのリップル間類似性解析が可能になる。この解析からエピソード学習特異的なバイナリーコードの抽出を目指す。またネットワーク分析を進め、類似性の可視化を進める。当研究室で発見した、内因性高頻度発火活動(super burst)についてはmuscarinic ACh receptor antagonistによって発生阻止できることを確認した為、次にエピソード学習成立との因果関係を証明する。イメージング解析では、引き続きAAV2-GFPウィルスベクターを海馬CA1にmicroinjectionしてエピソード学習を行い、CA1ニューロン群のスパイン変化を可視化して定量する。さらにAAV2-NpHR-GFPを中隔にmicroinjectionし、エピソード学習直前に589nmの黄色光を使ってsepto-hippocampal neuron群をphoto-silencingして学習成績を評価し、興奮性シナプスと抑制性シナプスにおけるシナプス多様化も定量化して比較検討する。
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Remarks |
日本生理学会にてweb発表 (2021.3.28)
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Research Products
(6 results)