Efffect of amygdalar activity on recognition and neural representation of facial information

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K07811
• Research Institution: National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology
• Principal Investigator: 宮川 尚久 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 脳機能イメージング研究部, 主任研究員(任常) (60415312)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 顔認知 / 表情認知 / 腹側視覚皮質 / 扁桃体 / 電気生理 / 化学遺伝学

Outline of Annual Research Achievements

情動関連情報の脳内処理中枢である扁桃体が、大脳皮質視覚野における視覚情報処理に及ぼす影響を評価するため、本研究では世界でも例の少ないマカクザルでの化学遺伝学：DREADD（Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs）を用いている。最新の研究でDREADD技術の根幹となる選択的薬剤の作用に疑義が生じたため、我々はまず放射線標識化合物を可視化するPETを駆使して、新規の選択的作用薬の開発と評価を行った。新規薬剤デスクロロクロザピン(DCZ)が、これまでの薬剤と比較して非常に優れた脳内移行性および受容体活性化能を持ち、またDREADD受容体以外への非特異的結合も低い優れた薬剤であることを報告した（Nature Neuroscience誌, 掲載決定）。次に、この新規アゴニストDCZおよび興奮性化学遺伝学受容体hM3Dqを用いてマカクザル扁桃体の神経活動を賦活化させたうえで、腹側視覚皮質に生じる視覚情報処理の変容について解析した。まず脳の腹側視覚皮質を広範囲で覆う表面脳波電極(ECoG)を留置し視覚応答性神経活動パターンを計測し、サルが顔の画像を注視した際に反応する顔応答部位を特定した。次に強い情動を惹起する表情(恐怖顔、威嚇顔）を含む刺激画像セットを視覚提示しながら、化学遺伝学アゴニストDCZ投与により扁桃体神経活動の持続的賦活化を引き起こすと、腹側視覚野が、1)顔選択性領域において顔画像に対する視覚応答を減弱させること、2)中立表情顔と脅威表情の画像に対する視覚応答の差を消失させること、をECoGによる視覚応答性神経活動パターンより見出した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究開始時点で、変異ムスカリン受容体型DREADDと新規アゴニストDCZの組み合わせで、１）霊長類の脳神経活動を変容させうること、２）前頭葉に用いることで、個体のワーキングメモリ課題遂行能力を変容させ得ること、を確認してあった。2019年度は膨大な量の追加実験などを経て、首尾よくNature Neuroscience誌に論文が受理された。
サルの腹側視覚皮質を広範囲で覆う表面脳波電極(ECoG)を留置し、サルが注視課題を遂行している際に、強い情動を惹起する表情(恐怖顔、威嚇顔）を含む刺激画像セットを視覚提示した際の視覚応答性神経活動パターンを計測した。上記の変異ムスカリン受容体型DREADDおよび新規DREADD薬剤DCZ投与により扁桃体神経活動の持続的賦活化を引き起こすと、腹側視覚野が、1)顔選択性領域において顔画像に対する視覚応答を減弱させること、2)中立表情顔と脅威表情の画像に対する視覚応答の差を消失させること、をECoGによる視覚応答性神経活動パターンより見出した。また、2頭の動物で同じ傾向が再現することを確認した。

Strategy for Future Research Activity

本年度は、次に中立や脅威の表情を持った顔画像、また顔以外の正負の情動価を持たない画像を動物に提示し、瞳孔径と鼻の皮膚温度といった情動由来の自律反応を計測して中立・脅威といった『情動価ラベル』の正当性を評価する。また、扁桃体神経活動操作にて腹側視覚皮質の情動視覚表現に変化が生じるが、自律反応も同様に変容するか確認する。その後、扁桃体の持続的賦活化によって引き起こされる腹側視覚野神経表現の変容が、色や形といった情動とは関係ない意味を持つ画像に対しても同様に引き起こされるのか検証する。最後に、腹側視覚皮質応答の早い成分と遅い成分それぞれで、扁桃体持続賦活の効果を確認する。100 ms 前後の短潜時で効果が確認できた場合、腹側視覚皮質をバイパスする皮質下の早い経路に由来した効果である可能性が示唆され、より遅い反応成分でのみ効果が確認出来れば、一旦腹側経路を通って扁桃体に到達した視覚情報がフィードバック回路を介して戻っている可能性が示唆される。これらの実験結果をまとめて論文の執筆を行う。

Causes of Carryover

論文掲載が次年度にずれ込んだことで、また実験動物を別プロジェクトと共用できたことで、2019年度内に使用する理由がなくなった。 次年度(2020年度)には、受理された論文の掲載費用、有料解析ソフトウェアおよび追加の実験動物の購入に充てる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of North Carolina/Mount Sinai Cent. Therapeutic Discovery(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of North Carolina/Mount Sinai Cent. Therapeutic Discovery
• [Journal Article] Deschloroclozapine, a potent and selective chemogenetic actuator enables rapid neuronal and behavioral modulations in mice and monkeys (2020)
  • Author(s): *Nagai Y, *Miyakawa N, Takuwa H, Hori Y, Oyama K, Ji B, Takahashi M, Huang XP, Slocum S, DiBerto JF, Xiong Y, Urushihata T, Hirabayashi T, Fujimoto F, Mimura K, English JG, Liu J, Inoue K, Kumata K, Seki C, Ono M, Shimojo M, Zhang MR, Tomita Y, Nakahara J, Suhara T, Takada M, Higuchi M, Jin J, Roth BL, Minamimoto T
  • Journal Title: Nature Neuroscience Volume: - Pages: -
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 扁桃体神経活動が腹側視覚野における他者の顔・表情の神経表現に及ぼす影響 (2019)
  • Author(s): 宮川 尚久, 永井 裕司, 堀 由紀子, 南本 敬史
  • Organizer: 生理研研究会「行動の多様性を支える神経基盤とその動作様式の解明」
• [Presentation] Amygdala dysfunction specifically disrupts socio-emotional representation in macaque ventral visual cortex (2019)
  • Author(s): Miyakawa N, Nagai Y, Hori Y, Matsuo T, Suzuki T, Inoue K, Takada M, Suhara T, Kawasaki, K, Minamimoto T
  • Organizer: International Symposium "Past, Present and Future of Shitsukan Science and Technologies"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DREADD inactivation reveals critical role of orbitofrontal cortex in reward-based adaptive decision-making in monkeys (2019)
  • Author(s): Oyama K, Hori Y, Nagai Y, Hirabayashi, T, Miyakawa N, Fujimoto A, Mimura K, Inoue K, Eldridge M, Saunders R, Suhara T, Takada M, Masato, H, Richmond, B, Minamimoto T
  • Organizer: 第42回 日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neural coding of facial images with different skin textures in the temporal lobe of monkey (2019)
  • Author(s): Hayashi K, Matsumoto N, Matsuda K, Kenichro Miura, Yamane S, Matsuo S, Yanai K, Eldridge M A G, Saunders R C, Richmond B J, Nagai Y, Miyakawa N, Minamimoto T, Okada M, Kawano K, Sugase-Miyamoto Y
  • Organizer: 第42回 日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chemogenetic activation of the amygdala specifically disrupts the representation of socio-emotional information in the macaque ventral visual cortex (2019)
  • Author(s): Miyakawa N, Nagai Y, Hori Y, Matsuo T, Suzuki T, Inoue K, Takada M, Suhara T, Kawasaki, K, Minamimoto T
  • Organizer: 第42回 日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A novel ligand “deschloroclozapine” selectively visualizes and activates chemogenetic receptors in non-human primates (2019)
  • Author(s): Nagai Y., Miyakawa N, Takuwa H., Hori Y., Oyama K., Ji B., Takahashi M., Huang X.-P., Slocum S. T., Xiong Y., Hirabayashi T., Fujimoto A., Mimura K., English J. G., Liu J., Inoue K.-i., Kumata K., Seki C., Ono M., Shimojo M., Zhang M.-R., Tomita Y., Suhara T., Takada M., Higuchi M., Jin J., Roth B. L., and Minamimoto T
  • Organizer: Brain and BrainPET 2019
  • Int'l Joint Research