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2020 Fiscal Year Annual Research Report

Understanding the neural mechanisms of effects of early life environments on brain and behavior by using new behavioral analysis system

Research Project

Project/Area Number 19H03539
Research InstitutionNara Medical University

Principal Investigator

西 真弓  奈良県立医科大学, 医学部, 教授 (40295639)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 牧之段 学  奈良県立医科大学, 医学部, 准教授 (00510182)
遠藤 のぞみ  奈良県立医科大学, 医学部, 研究助教 (90802819)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords社会集団での行動解析 / ストレス / 幼児虐待 / Hikikomori / 化学遺伝学 / マウス / AR-LABO
Outline of Annual Research Achievements

近年、虐待やHikikomoriなど劣悪な生育環境は、成人が患う多くの精神疾患において最
高レベルの危険因子の一つであると言われおり、適切かつケアの確立は喫緊の研究課題である。これまで様々な動物モデルを用いた基礎研究が展開されてきたが、生育環境が社会的集団生活における行動、つまり普段の行動にどのような影響を与えのるかについては未だ明らかにされていない。本研究の目的は、虐待やHikikomoriのモデル動物を用い、研究代表者らが近年開発した社会的集団における長期間の定量的行動解析が可能な新システムAR-LABO (Augmented Reality-based Long-term Animal Behavior Observing system)と、脳領域特異的に神経活動の制御が可能な化学遺伝学を用い、「幼少期生育環境」‐「社会的集団での行動表現型」‐「責任脳領域」の関係を明らかにし、被虐待やHikikomoriの神経基盤の理解を目指すことである。そのために本研究においては、<1>AR-LABOによる母子分離/思春期社会的隔離モデルマウスの社会的集団における行動学的特徴の同定;<2>母子分離/思春期社会的隔離モデルマウスの行動を制御する神経活動の操作と神経回路の同定;<3>ケア/治療法の開発の3課題を遂行する。2020年度は集団内の行動をより詳細にかつより大量に解析するため、AI技術によりAR-LABOの改良および社会行動解析の自動化を行った。母子分離マウスの行動についてAR-LABOを用いて4日間解析した。その結果、母子分離マウスは社会集団において、同じケージ内の他マウスに対する社会的近接性が対照群に比して有意に低下していることがわかった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2020年度は、AR-LABOの行動解析システムの改良を試みた。
i)開発協力者の業者と奈良先端大学との共同研究により、集団内の行動をより詳細にかつより大量に解析するため、AI技術によりAR-LABOの改良および社会行動解析の自動化を行った。まず、AR-LABOではデータの欠損が生じていたため、AI動物トラッキングのデファクトスタンダードであるDeepLabCutを利用して補間を行った。その結果、欠損値は約8割減少した。次にAR-LABOでは外れ値が混入することがあったため、拡張カルマンフィルタによる補正を行った。その結果、欠損率は2.4%まで減少した。さらに、長時間ビデオの社会行動解析を可能とするため、行動の自動判定技術を開発した。先行研究では社会性行動を25種類に分類していたが、本研究ではまず動的行動を含まない9種類について、トラッキングデータから自動的に判定するシステムを構築した。それにより,社会行動の個体間差を客観的に比較できるようになった。
ii)上記のように改良されたAR-LABOを用い、今年度は母子分離マウスの集団飼育下における行動解析を行った。その結果、母子分離マウスは集団飼育環境において社会的近接性が低下した(他マウスに接近しない)。また,、MS2匹とコントロール2匹を混合して集団飼育すると、 MSマウスはコントロール群に比して同一ケージ内の同胞マウスに対する距離感や他のマウスに対するアプローチ行動の異常を認めた。

Strategy for Future Research Activity

今後はさらに例数を増やしていく。また2020年度は、AR-LABOの解析方法についてさらに改良を加え、同居マウスどうしの鼻先と鼻先の距離の関係、頭の角度、追いかける/追いかけられる行動、動きのスピード等についても定量解析できるようにし、より詳細に社会性、社会的順位(ヒエラルキー)等について考察できるようにする。また、化学遺伝学の準備を始める。Camk2a- Creマウス(RBRC00153)を理研バイオリソースセンターより購入する手続きを開始し、アデノ随伴ウイルスベクターAAV- hSyn-FLEX-hM3Dq-mCherryまたはAAV-hSyn-FLEX-hM4Di-mCherryを研究協力者の名古屋大学・中山章弘教授から供与していただき、年度内にはまず母子分離マウスの海馬および扁桃体基底外側部へのマイクロインジェクションを試み、CNOを投与して行動の変容について解析する。さらに、2021年以降にはAR-LABOのシステムの強化、Hikikomoriマウスについても同様の実験を進めていく予定である。

  • Research Products

    (19 results)

All 2021 2020

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 5 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Protocol for behavioral tests using chemogenetically manipulated mice2021

    • Author(s)
      Horii-Hayashi N, Nishi M.
    • Journal Title

      STAR Protoc.

      Volume: 2(2) Pages: 100418

    • DOI

      10.1016/j.xpro.2021.100418.

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The effects of maternal separation on behaviours under social-housing environments in adult male C57BL/6 mice.2021

    • Author(s)
      Endo N, Makinodan M, Mannari-Sasagawa T, Horii-Hayashi N, Somayama N, Komori T, Kishimoto T, Nishi M.
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11(1) Pages: 527

    • DOI

      10.1038/s41598-020-80206-3.

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Hypothalamic perifornical Urocortin-3 neurons modulate defensive responses to a potential threat stimulus.2020

    • Author(s)
      Horii-Hayashi N, Nomoto K,Endo N, Yamanaka A, Kikusui T,Nishi M
    • Journal Title

      iScience

      Volume: 24(1) Pages: 101908

    • DOI

      10.1016/j.isci.2020.101908.

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Effects of early-life stress on the brain and behaviors: Implications of early maternal separation in rodents.2020

    • Author(s)
      Nishi M.
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 21(19) Pages: E7212

    • DOI

      10.3390/ijms21197212

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Scaffold attachment factor B: Distribution and interaction with ERホア in the rat brain.2020

    • Author(s)
      Hashimoto T, Kawata M, Hirahara Y, Nishi M, Iino S, and Matsuda K- I.
    • Journal Title

      Histochem and Cell Biol

      Volume: 153(5) Pages: 323-338

    • DOI

      10.1007/s00418-020-01853-1

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of early life adverse experience on contents of essential trace elements related to the antioxidative system in the adult mouse hippocampus.2020

    • Author(s)
      Azuma C, Minami T, Nishi M
    • Journal Title

      Psychology

      Volume: 11 Pages: 314-325

    • DOI

      10.4236/psych.2020.112020

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] マウス集団内長期行動解析の試み2020

    • Author(s)
      遠藤のぞみ、牧之段学、西真弓
    • Journal Title

      Medical Sci Digest

      Volume: 46 (6) Pages: 4-5

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] マウス反復社会的敗北ストレスが報酬獲得における“やる気”に及ぼす影響2021

    • Author(s)
      西真弓、遠藤のぞみ、杣山奈実
    • Organizer
      第126回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • [Presentation] 発達期環境がマウスの集団内行動様式に与える影響2021

    • Author(s)
      遠藤のぞみ、西真弓
    • Organizer
      第126回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • [Presentation] マウス視床下部新規神経領域の機能形態解析2021

    • Author(s)
      西真弓
    • Organizer
      第94回日本内分泌学会学術総会
  • [Presentation] 視床下部ニューロンの新たな機能―潜在的脅威に対する防御行動の調節―2021

    • Author(s)
      堀井謹子、野元謙作、菊水健史、山中彰弘、西真弓
    • Organizer
      第126回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • [Presentation] Effects of repeated social defeat stress on effort-based decision-making behavior in adult male mice.2020

    • Author(s)
      Mayumi Nishi, Nozomi Endo, Nami Somayam .
    • Organizer
      IBNS 29th Annual Meeting.
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Long-term behavioral analysis in mouse models under group-housed conditions using the Multiple Animal Positioning System (MAPS).2020

    • Author(s)
      Nozomi Endo, Manabu Makinodan, Masaki Kakeyama, Mayumi Nishi
    • Organizer
      IBNS 29th Annual Meeting.
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] BTBR自閉症モデルマウスの発達期コルチコステロン濃度の検討.2020

    • Author(s)
      遠藤のぞみ、牧之段学、西真弓
    • Organizer
      第125回日本解剖学会総会 ・ 全国学術集会
  • [Presentation] Persistent sciatic vein connection with the small saphenous vein and the deep femoral vein.2020

    • Author(s)
      Azuma C, Nakano K, Kitagawa Y, Tukui T, Tikayama T, Hayasi M, Uesaka H, Suwanai H, Higashitani T, Horii-Hayashi N, Nishi M.
    • Organizer
      第125回日本解剖学会総会 ・ 全国学術集会
  • [Presentation] Perifornical hypothalamic neurons promote risk assessment behavior to a novel object.2020

    • Author(s)
      Horii-Hayashi N, Nomoto K, Kikusui Ti, Nishi M.
    • Organizer
      第125回日本解剖学会総会 ・ 全国学術集会
  • [Presentation] 幼少期ストレスが脳に及ぼす影響2020

    • Author(s)
      西真弓
    • Organizer
      日本におけるケミカルバイオロジーの新展開第189委員会 定例会
  • [Presentation] Effects of early life adversity on the brain.2020

    • Author(s)
      Nishi M.
    • Organizer
      第125回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • [Book] 栄養科学シリーズNEXT 解剖生理学第3版2020

    • Author(s)
      西真弓
    • Total Pages
      179
    • Publisher
      講談社サイテイフィク

URL: 

Published: 2021-12-27  

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