Neural processing for network representation of spatial map

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K16292
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 鈴木 裕輔 京都大学, 生命科学研究科, 助教 (90723669)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: ネットワーク / ナビゲーション / 認知地図 / 空間記憶 / カルシウムイメージング

Outline of Annual Research Achievements

認知地図の神経基盤として，場所の物理的・幾何学的な特徴が，海馬や内側嗅内皮質等の場所細胞や格子細胞等の神経細胞群によって表現されることがよく知られている．一方で，ネットワーク表現は，場所の物理的・幾何学的表現を “要約”した表現とみなせ，認知地図において重要な場所表現の一つとして用いられている可能性も十分に想定できる．しかし，その脳情報処理過程の解明は始まったばかりである．そこで本研究では，場所のネットワーク表現の神経相関を示すことを目的とする．方法として，自由行動下で空間探索（バーンズ迷路課題）中のマウスの移動経路から，探索地点をノード，それらの間の遷移をリンクとするネットワークを一連の構造パラメータによって定量化し，それらと海馬 CA1, CA3, 歯状回の特定の神経細胞種におけるポピュレーションレベルのカルシウム応答特性との間の相関を検証する．本研究の成果は，多種膨大な場所情報をいかにして表現するかという脳の計算メカニズムの新たな一側面に迫る．
本年度と来年度で，［1］マウス行動データからのネットワーク抽出と，［2］空間探索中の神経細胞群の活動の計測と推定，が計画され，本年度では，そのテストベッドとして，単純なオープンフィールド探索中のマウスの海馬 CA1 の錐体細胞と，歯状回の顆粒細胞と苔状細胞のカルシウム応答を計測できることを確認した．このテストベッドを通して構築された実験・解析手法は，来年度以降の本実験で予定されているバーンズ迷路系でも共通であることから，今後のスムーズな課題遂行が期待できる．

Current Status of Research Progress

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

Reason

上記テストベッドで構築した実験・解析手法で，空間探索中のマウスの移動データから移動経路のネットワーク構造を抽出できること，イメージングデータから ~1000 個程度までの細胞の位置，形状，活動波形を推定できることを確認した．また，バーンズ迷路探索中のマウスの行動と海馬 CA1 の錐体細胞群のカルシウム応答を同時計測できることも確認した．これにより，来年度以降の本実験のスムーズな遂行が期待できる．

Strategy for Future Research Activity

本研究は，空間探索中の移動経路のネットワークの構造パラメータと相関する活動を示す海馬 CA1 または歯状回の神経細胞群の同定を目的とする．本年度の研究で，オープンフィールド探索時の移動経路からのネットワークの抽出と，その時の海馬 CA1 の錐体細胞，歯状回の顆粒細胞，苔状細胞のカルシウム応答の抽出が可能になった．来年度は最初に，上記の行動データとイメージングデータを用いて，ネットワーク構造パラメータの神経相関を検証する．次に，本実験として，バーンズ迷路課題を実施し，課題遂行中のマウスの移動経路からのネットワーク構造の抽出と，海馬 CA1 の錐体細胞や歯状回の顆粒細胞，苔状細胞のカルシウム応答を計測し，両者の相関を検証する．最後に，この神経相関が，バーンズ迷路での空間学習に伴ってどのように変化・収束するかを検証し，空間認知におけるネットワーク表象の意義を考察する．

Causes of Carryover

本年度は，本実験のテストベッドとしての，行動実験系と解析系を構築した．このテストベッドは，購入を予定していたデータストレージサーバーやハイスペック PC なしでも機能したため，それらの購入を見合わせた．しかし，来年度以降の本実験では，テストベッドよりも実験機器の精密な計測・制御制御や大量のデータ解析が想定されるため，本実験の実施前にそれらを購入予定である．
また，新型コロナウイルスの影響により，参加予定の学会や研究打ち合わせ，技術習得のための一部の出張が中止された．