光遺伝学と磁気共鳴機能画像法の融合による大脳記憶機構の解明

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24220008
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 宮下 保司 東京大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (40114673)
• Project Period (FY): 2012-05-31 – 2017-03-31
• Keywords: 認知神経科学 / 磁気共鳴機能画像法 / 霊長類 / 大脳 / 光遺伝学

Outline of Annual Research Achievements

本繰越によって、これまでの技術的課題であった組織障害性および発現特異性の問題がほば解決されたので、その証明として、ChR2を用いた光遺伝学の技術基盤開発に主眼をおいた実験の結果を論文として発表した。この実験では、カラム特異的遺伝子発現が可能であること、更にRNAi との併用が可能であることを実証した（Tsubota et al., 2015）。神経可塑性において重要な役割を担うと提唱されているcofilin1分子をターゲットとして、その機能を単一の大脳体性感覚野カラムにおいて阻害し、その影響を電気生理学的に検証した。単一カラムにおけるcofilin1の機能阻害には、cofilin1に対するマイクロRNAを発現するレンチウイルスベクターを用いた。このレンチウイルスを、内因性光学信号計測法によりバレル中心を推定してバレルD2 カラムに局所接種した。その結果、D2 カラムに限局した遺伝子発現を実現できた。次に対側のD1 ヒゲのみを残してその他の全てのヒゲからの入力を遮断することにより、経験依存的可塑性を誘導した。そして、cofilin1の機能を阻害した神経細胞のヒゲに対する反応を、細胞外電気生理記録法により記録した。その結果、D2 カラム内のII/III層錐体細胞におけるcofilin1の機能は、D1カラムからの径カラム入力による経験依存的可塑性に必要であるが、D2カラムからのカラム内入力による経験依存的可塑性には必要でないことが示された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

今回、上記のように、まずChR2を用いた光遺伝学の技術基盤開発として、カラム特異的遺伝子発現が可能であること、更にRNAi との併用が可能であることを実証する成果を挙げた（Tsubota et al., 2015）。神経可塑性において重要なcofilin1分子をターゲットとして、その機能を単一の大脳体性感覚野カラムにおいて阻害し、II/III層錐体細胞におけるcofilin1の機能が径カラム入力による経験依存的可塑性に必要であることを証明した。
サル大脳ネットワークダイナミクスのfMRI計測でも、多くの成果が得られた。サル大脳ネットワークおよび行動結果に対して、特定の大脳領域の機能障害がどのように影響を与えるかを解明した（Osada et al. , 2015）。新近性課題（Recency task）をサルに遂行させ、fMRIによって脳活動領域を同定し、特定の活動領域の機能障害をSVM法により解析した結果、大脳ネットワークにおける各領野のbetweenness centrality値（当該ネットワークにおいて、その領域がハブとしての性格をどの程度持っているかを定量的にあらわす値。ネットワーク理論での標準的指標）が、当該領域が傷害された場合に引き起こされる行動障害の程度と相関することを見出した。この結果は、サル大脳ネットワークへの擾乱ダイナミクスをfMRI計測によって解明するとの本研究目的に、直接的回答を与える成果であると評価している。

Strategy for Future Research Activity

新近性課題を用いて、サル大脳ネットワークおよび行動結果に対して、特定の大脳領域の機能障害がどのように影響を与えるかについてのfMRI解析はほぼ完了した。この研究では、局所擾乱の影響は大域ネットワーク構造には及ばない、として解析した。第一次近似としては正しいが、局所擾乱の影響が大域ネットワーク、ことにそのmodule構造に与える影響を解析することも重要であるので、その点を引き続き詰める計画である。
上記のように、記憶課題遂行中のサル大脳ネットワーク擾乱ダイナミクス解析の準備はほぼ整っている。残る技術的問題としては、サル大脳の場合、光遺伝学的擾乱をかなり広い皮質領域に加える必要がある、ことが挙げられる。必要領域面積は、当該認知課題及び対象とする大脳領域によって異なることが想定されるが、マウスやラットより100倍近い面積（一辺10mm程度）への擾乱が必要とされることが予想される。このような広域への光遺伝学的擾乱はまだ試みられたことが無く、先行報告もない。現在、特殊な並列光ファイバー型側面発光optorodeを開発中である。また、この並列光ファイバー群を同時照射する為に、高出力6Wレーザーを使用する計画を進めている（従来は100mW程度）。
もうひとつ重要な点として、サル行動課題のうち、再認課題はconfidenceを評価するメタ認知課題へと発展させることが可能であるとの予備的知見を得ている。もしメタ認知課題における擾乱実験が実現すれば大きなインパクトを持つが、予備実験の示すところでは、この課題では複数の大脳領域が相補的役割を果たすことが重要であり、擾乱法としてどのようなアプローチが最適か検討が必要である。
本研究の残り2年の間に結果を得ることができる見込みであり、現在これらの実験全てが進行中である。

Research Products

• [Journal Article] Cofilin1 controls transcolumnar plasticity in dendritic spines in adult barrel cortex. (2015)
  • Author(s): Tsubota, T., Okubo, S., R., Ohashi, Y., Tamura, k., Ogata, K., Yaguchi, M., Matsuyama, M., Inokuchi, K., and Miyashita, Y.
  • Journal Title: PLoS Biol. Volume: 13:2 Pages: -
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.1002070
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Computational principles of microcircuits for visual object processing in the macaque temporal cortex. (2014)
  • Author(s): Hirabayashi, T. and Miyashita, Y.
  • Journal Title: Trends in Neurosci. Volume: 37 Pages: 178-187
  • DOI: 10.1016/j.tins.2014.01.002
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Two distinct neural mechanisms underlying indirect reciprocity. (2014)
  • Author(s): Watanabe, T., Takezawa, M., Nakawake, Y., Kunimatsu, A., Yamasue, H., Nakamura, M., Miyashita, Y. and Masuda N.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. Volume: 111 Pages: 3990-3995
  • DOI: 10.1073/pnas.1318570111
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Distinct neuronal interactions in anterior inferotemporal areas of macaque monkeys during retrieval of object association memory. (2014)
  • Author(s): Hirabayashi, T., Tamura, K., Takeuchi, D., Takeda, M., Koyano, W.K., and Miyashita, Y.
  • Journal Title: J. Neurosci. Volume: 34 Pages: 9377-9388
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0600-14.2014
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Dissociable memory traces within the macaque medial temporal lobe predict subsequent recognition performance. (2014)
  • Author(s): Miyamoto, K., Adachi, Y., Osada, T., Watanabe, T., Kimura, H.M., Setsuie, R. and Miyashita, Y.
  • Journal Title: J. Neurosci. Volume: 34 Pages: 1988-1997
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.4048-13.2014
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Network-dependent modulation of brain activity during sleep. (2014)
  • Author(s): Watanabe T, Kan S, Koike T, Misaki M, Konishi S, Miyauchi S, Miyashita Y, and Masuda N.
  • Journal Title: NeuroImage Volume: 98 Pages: 1-10
  • DOI: org/10.1016/j.neuroimage.2014.04.079
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Bidirectional effects on inter-hemispheric resting-state functional connectivity induced by excitatory and inhibitory repetitive transcranial magnetic stimulation. (2014)
  • Author(s): Watanabe, T., Hanajima, R., Shirota, Y., Ohminami, S., Tsutsumi, R., Terao, R., Ugawa, Y., Hirose, S., Miyashita, Y., Konishi, S., Kunimatsu, A. and Ohtomo, K.
  • Journal Title: Hum. Brain Mapp. Volume: 35 Pages: 1896-1905
  • DOI: 10.1002/hbm.22300
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Microcircuits for hierarchical elaboration of object coding across primate temporal areas. (2013)
  • Author(s): Hirabayashi T, Takeuchi D, Tamura K, Miyashita Y.
  • Journal Title: Science Volume: 341 Pages: 191-195
  • DOI: 10.1126/science.1236927
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Characterization of the Properties of Seven Promoters in the Motor Cortex of Rats and Monkeys after Lentiviral Vector-Mediated Gene Transfer. (2013)
  • Author(s): Yaguchi M, Ohashi Y, Tsubota T, Sato A., Koyano WK, Wang N, Miyashita Y.
  • Journal Title: Hum. Gene Ther. Methods Volume: 24 Pages: 333–344
  • DOI: 10.1089/hgtb.2012.238
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Functional Relevance of Micro-Modules in Human Association Cortex Delineated with High-Resolution fMRI. (2013)
  • Author(s): Hirose S., Watanabe T, Wada H, Imai Y, Machida T, Shirouzu I, Miyashita Y, Konishi S.
  • Journal Title: Cereb. Cortex Volume: 23 Pages: 2863-2871
  • DOI: 10.1093/cercor/bhs268
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Short-term changes in behavioral efficiency and brain activity associated with response inhibition. (2014)
  • Author(s): Hirose S, Jimura K, Kunimatsu A, Abe O, Ohtomo K,Miyashita Y and Konishi S
  • Organizer: The 91st Annual Meeting of the Physiology Society of Japan
  • Place of Presentation: Kagoshima University, Korimoto Campus(鹿児島市）
  • Year and Date: 2014-03-16 – 2014-03-18
• [Presentation] Directional signal flow between different classes of memory neurons during retrieval of object association memory in macaque inferior temporal cortex. (2013)
  • Author(s): Hirabayashi T, Takeuchi D, Tamura K, Takeda M, Koyano KW and Miyashita Y
  • Organizer: The Society for Neuroscience 43rd Annual Meeting
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center（USA)
  • Year and Date: 2013-11-09 – 2013-11-13
• [Presentation] MRI-assisted single-unit recording revealed precise neuronal map in the perirhinal cortices of macaque monkeys performing a visual–association task. (2013)
  • Author(s): Koyano WK, Takeda M, Matsui T, Ohashi Y, Hirabayashi T, Kakizawa K, Watanabe T and Miyashita Y
  • Organizer: The Society for Neuroscience 43rd Annual Meeting
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center（USA)
  • Year and Date: 2013-11-09 – 2013-11-13
• [Presentation] Neural correlates of primacy and recency effects in macaque memory retrieval network. (2013)
  • Author(s): Miyamoto K, Osada T, Adachi Y, Mastui T, Kimura MH, Watanabe T, Setsuie R and Miyashita Y
  • Organizer: The Society for Neuroscience 43rd Annual Meeting
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center（USA)
  • Year and Date: 2013-11-09 – 2013-11-13
• [Presentation] Across-areal signal flow between area 36 and TE of macaques performing the pair-association task. (2013)
  • Author(s): Takeda M, Koyano WK, Hirabayashi T, Ishi T, Watanabe T and Miyashita Y
  • Organizer: The Society for Neuroscience 43rd Annual Meeting
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center（USA)
  • Year and Date: 2013-11-09 – 2013-11-13
• [Presentation] EGFP expressions in the cerebral cortex of rats and monkeys under control of various promoters after lentiviral transduction. (2013)
  • Author(s): Yaguchi M, Ohashi Y, Tsubota T, Sato A, Koyano WK, Wang N, Matsuyama M, Sekine T and Miyashita Y
  • Organizer: The Society for Neuroscience 43rd Annual Meeting
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center（USA)
  • Year and Date: 2013-11-09 – 2013-11-13
• [Presentation] Hierarchal neural network underlying resolution of incongruent nonverbal and verbal social information. (2013)
  • Author(s): Watanabe T, Yahata N, Kawakubo Y, Inoue H, Takano Y, Iwashiro N, Natsubori T, Takao H, Sasaki H, Gonoi W, Murakami M, Katsura M, Kunimatsu A, Abe O, Kasai K Miyashita Y and Yamasue H
  • Organizer: The Society for Neuroscience 43rd Annual Meeting
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center（USA)
  • Year and Date: 2013-11-09 – 2013-11-13
• [Presentation] Lentivirus-mediated RNAi for local knockdown of NMDAR1 in adult rat barrel cortex. (2013)
  • Author(s): Tsubota T, Ohashi Y, Tamura K, Yaguchi M, Matsuyama M, Sekine T and Miyashita Y
  • Organizer: The 36th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • Place of Presentation: Kyoto International Conference center(京都市）
  • Year and Date: 2013-06-20 – 2013-06-22
• [Presentation] Modular structures within macaque memory retrieval network implement functional differentiation during serial probe recognition task. (2013)
  • Author(s): Miyamoto K, Osada T, Adachi Y, Matsui T, Kimura HM, Watanabe T Setsuie R and Miyashita Y
  • Organizer: The 36th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • Place of Presentation: Kyoto International Conference center(京都市）
  • Year and Date: 2013-06-20 – 2013-06-22
• [Presentation] Inter-regional task-related functional correlation in temporo-parietal networks: A functional MRI study of recency judgments. (2013)
  • Author(s): Hirose S, Kimura HM, Kunimatsu A, Abe O, Ohtomo K, Miyashita Y and Konishi S
  • Organizer: The 36th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • Place of Presentation: Kyoto International Conference center(京都市）
  • Year and Date: 2013-06-20 – 2013-06-22
• [Presentation] cross-areal analysis of mnemonic backward signal flow between area 36 and TE of macaques. (2013)
  • Author(s): Takeda M, Koyano KW and Miyashita Y
  • Organizer: The 36th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • Place of Presentation: Kyoto International Conference center(京都市）
  • Year and Date: 2013-06-20 – 2013-06-22
• [Presentation] Simplicity of human brain networks: resting-state functional brain networks can be accurately described by a pairwise maximum entropy model. (2013)
  • Author(s): Watanabe T, Hirose S, Wada H, Imai Y, Machida T, Shirouzu I, Konishi S, Miyashita Y and Masuda T
  • Organizer: The 36th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • Place of Presentation: Kyoto International Conference center(京都市）
  • Year and Date: 2013-06-20 – 2013-06-22
• [Presentation] Comparison of seven promoters in the rat and monkey cerebral cortices using lentiviral vectors. (2013)
  • Author(s): Yaguchi M, Ohashi Y, Tsubota T, Sato A, Koyano WK, Wang N, Matsuyama M, Sekine T and Miyashita Y
  • Organizer: The 36th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • Place of Presentation: Kyoto International Conference center(京都市）
  • Year and Date: 2013-06-20 – 2013-06-22
• [Presentation] Differences in Anatomical Basis of Local vs Global Resting State Networks. (2013)
  • Author(s): Adachi Y and Miyashita Y
  • Organizer: The 19th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping
  • Place of Presentation: Washington State Convention Center in Seattle(USA)
  • Year and Date: 2013-06-16 – 2013-06-20
• [Remarks] Department of Physiology Miyashita Lab.
  • URL: http://www.physiol.m.u-tokyo.ac.jp/