Investigation and manipulation of neural networks for adaptive decision making in competitive and cooperative interactions

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K07258
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 田中 慎吾 新潟大学, 医歯学系, 助教 (30597951)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 川嵜 圭祐 新潟大学, 医歯学系, 准教授 (60511178)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 心の理論 / 脳内他者 / ECoG / 電気生理学

Outline of Annual Research Achievements

ヒトのような複雑な社会構造を形成するためには、「心の理論」と呼ばれる、自己との相互作用によって変化する他者の心や行動を推測する能力が重要となる。しかしながら、他者の心や行動を推測することができれば自分の行動が決定できるわけではなく、自己と他者の関係や周辺環境に応じて適応的に行動を選択する必要があるが、それを実現する神経回路網についてはいまだ未解明である。本研究では、インタラクティブな実験課題遂行中の神経活動を長期間、高時空間解像度で記録することで、脳内他者シミュレーションを利用した適応的行動選択を実現する神経ネットワークについて検証する。さらに、その神経ネットワークを操作し、他の脳領野や被検体の行動への影響について検証することで、その因果的機能を明らかにすることを目指す。
そのために、令和３年度は、ニホンザルからのECoG信号の記録に向けて、インタラクティブ課題の実験制御記録システムを開発した。開発したシステムを用いて、二頭のニホンザルに対して、インタラクティブ課題を遂行するための訓練を施している。また、ECoG信号の記録に向けて、前頭前野外側部(LPFC)、前頭前野内側部(MPFC)、上側頭溝(STS)それぞれに対して、64chの電極点を持つECoG電極を設計した。
令和４年度からは、インタラクティブ課題の訓練を終えたニホンザルにECoG電極をインプラントし、ECoG信号の記録を開始する計画である。ECoG信号を解析することで、適応的行動選択を実現する神経ネットワークを同定し、さらに電気刺激実験や化学遺伝学実験を合わせて行うことで、適応的行動選択を実現する神経ネットワークの因果的役割について検証する。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では、比較的認知機能の発達した実験動物であるニホンザルを用いて、インタラクティブな実験課題遂行中の神経活動を長期間、高時空間解像度で記録することで、脳内他者シミュレーションを利用した適応的行動選択を実現する神経ネットワークについて検証するとともに、その神経ネットワークを操作し他の脳領野や被検体の行動への影響について検証することで、脳内他者シミュレーションを利用した適応的行動選択に対する神経ネットワークの因果的機能を明らかにすることを目的とする。
まず、本研究のために設計した報酬指示選択課題を制御し、課題中の被検体の行動や神経活動を記録するための課題制御記録システムを、Arduino等を用いて開発した。現在、二頭のニホンザルに対して、報酬指示選択課題を遂行するための訓練を施している。報酬指示選択課題では、2つの役割（選択・指示）、2つの利害関係（対戦・協力）、2つの対戦相手の性格（正直・不正直）の組み合わせから、8種の課題条件が存在する。一頭のニホンザルについては、対戦相手と対面せずコンピュータを対戦相手とした状態で、全ての課題条件における最適行動を学習済みであり、課題条件の切り替わりに応じた最適行動の切り替えを学習しつつある。もう一頭については、4種の課題条件における最適行動を学習済みである。
また、ECoG信号の記録に向けて、新たにECoG電極を設計した。意思決定や他者行動に関連する脳領野である前頭前野外側部(LPFC)、前頭前野内側部(MPFC)、上側頭溝(STS)それぞれに対して、64chの電極点を持つECoG電極を設計した。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度では、引き続き二頭のニホンザルに対し、報酬指示選択課題の訓練を施す。対戦相手と対面しない条件で課題条件の切り替わりに応じた最適行動の切り替えが可能となった後、ヒトを対戦相手とする課題訓練を施す。訓練完了後、ヒトと対面する条件と対面しない条件におけるニホンザルの行動の比較を行い、社会的環境が被検体の行動に与える影響について検証する。
同時に、新たに設計したECoG電極を完成させ、訓練を終えたニホンザルの前頭前野外側部(LPFC)、前頭前野内側部(MPFC)、上側頭溝(STS)にインプラントする。回復後、報酬指示選択課題遂行中のECoG信号の記録を行い、被検体の役割や対戦相手の行動、利害関係、対戦相手の有無など、課題条件に関連する脳活動を同定するとともに、デコーディング解析を行うことで、それらの情報の時空間分布について検証する。同時に、記録点ペアにおける信号間のコヒーレンスを計算することで、課題条件に関連する皮質間の機能的結合を同定する。さらに、ECoG電極を用いた電気刺激実験を行うことで、構造的接続関係について検証し、機能的結合との比較を行う。
さらに、ECoG信号の解析から同定される意思決定や他者行動に関連する脳部位に対して電気刺激を行うことで、被検体の行動に対する影響を検証し、神経ネットワークの活動と被験体の行動の間の因果関係についても検討する。また、上記の実験により同定される他者の行動をシミュレートする脳部位にDREADDであるhM4Di遺伝子を導入したのち、DREADDの特異的リガンドであるDCZを全身もしくは局所的に注入することで、DREADDが発現した神経細胞の活動を特異的に抑制する。被験体の行動に与える影響を解析し、その脳部位の脳内他者シミュレーションにおける因果的役割について検証する。
最終的に、研究成果の学会発表、論文の準備・投稿を行い、研究をまとめる計画である。

Causes of Carryover

当初、令和3年度中に電気刺激装置を購入する予定であったが、当該年度中の使用予定が立たなかったため、購入を先送りすることになった。そのため、次年度使用額は、令和4年度の電気刺激装置の購入に使用する。