単一ニューロンから領野まで統合的に解析する全脳記録法の開発

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24300148
• Research Institution: Doshisha University
• Principal Investigator: 高橋 晋 同志社大学, 高等研究教育機構, 准教授 (20510960)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤山 文乃 同志社大学, 脳科学研究科, 教授 (20244022)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 脳波 / マルチニューロン活動

Research Abstract

本研究では、現在の脳神経科学と情報工学を協調させることにより、覚醒し行動している動物の脳全体に跨る神経回路網の動態を、単一ニューロンレベルの微視的スケールから脳全体を俯瞰する巨視的スケールまで統合的に計測し解析する全脳記録法を確立することを目的としている。
すでにこれまでの研究で、1ミリメートル間隔で総計42チャネルの計測点を配置する皮質脳波用アレイ電極と、総計12本のマルチ電極をそれぞれ独立に可動できる小型マイクロドライブを開発し、特許も出願済みである。皮質脳波用アレイ電極は、CAD(Computer Aided Design)ソフトを用いて独自に設計しフレキシブル基板上に計測点を並べたものであり、小型マイクロドライブは、やはり独自に設計し3次元造形技術を活用して製作した。
本年度は、脳波とニューロン活動を同時記録し、リアルタイムに解析するシステムをリアルタイム・オペレーティング・システム上に実装した。具体的には、120チャネルのマルチニューロン活動からニューロン活動をリアルタイムに分離し、かつ局所脳波を記録しながら、それら全ての信号をハードディスク上に保存する一連の処理を、6ミリ秒以内に確定的に実施することができる。その確定性に関しては、最も負荷の高いハードディスク書き込みの遅延時間を計測することで検証した。来年度は、これまでに開発してきた要素技術を結集した全脳記録法を確立し、皮質－基底核ループや海馬体に適用することでその実用性を評価する。

Current Status of Research Progress

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

Reason

全脳記録法を完成させるためのデバイスや信号処理システムなどの要素技術の開発は概ね完了しているため、おおむね順調に進展していると評価した。

Strategy for Future Research Activity

最終年度では、全脳記録法を完成させるために本年度までに開発してきたデバイスや信号処理システムなどの要素技術を結集し、動物実験によりその有効性を検証する。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

計画通りに装置を開発することができたが、性能テストには至らなかったため当該助成金が生じた。
翌年度の研究費と合わせて、最終目標である全脳記録法を確立し、そのの性能テストを実施する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Volitional enhancement of firing synchrony and oscillation by neuronal operant conditioning: interaction with neurorehabilitation and brain-machine interface (2014)
  • Author(s): Sakurai, Y., Song, K., Tachibana, S., Takahashi, S.
  • Journal Title: Frontiers in Systems Neuroscience Volume: 8:11 Pages: 1-11
  • DOI: 10.3389/fnsys.2014.00011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oscillatory interaction between amygdala and hippocampus coordinates behavioral modulation based on reward expectation (2013)
  • Author(s): Terada S., Takahashi S., Sakurai Y.
  • Journal Title: Frontiers in Behavioral Neuroscience Volume: 7(177) Pages: 1-12
  • DOI: 10.3389/fnbeh.2013.00177
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Diverse synchrony of firing reflects diverse cell-assembly coding in the prefrontal cortex (2013)
  • Author(s): Sakurai, Y., Nakazono, T., Ishino, S., Terada, S., Yamaguchi, K., Takahashi, S.
  • Journal Title: Journal of Physiology (Paris) Volume: 107 Pages: 459-470
  • DOI: 10.1016/j.jphysparis.2013.05.004.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exploring the neural substrate for supporting episodic memory in the hippocampus from a place cell perspective (2013)
  • Author(s): Takahashi, S.
  • Journal Title: Japanese Psychological Review Volume: 56 Pages: 186-200
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Rule switching affects theta-gamma coupling in rat hippocampus (2013)
  • Author(s): Nakazono, T, Takahashi, S. and Sakurai, Y.
  • Organizer: Society for Neuroscience meeting
  • Place of Presentation: USA
  • Year and Date: 20131113-20131113
• [Presentation] 海馬は文脈情報を階層化してエピソードを形成する (2013)
  • Author(s): 高橋 晋
  • Organizer: 第36回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20130621-20130621
• [Presentation] ラット淡蒼球外節の投射様式を領域ごとに解析する (2013)
  • Author(s): 藤山 文乃,中野 隆,松田 和郎,呉 胤美,水谷 和子,古田 隆寛,苅部 冬紀,高橋 晋,雲財 知,宇田川 潤,金子 武嗣
  • Organizer: 第36回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20130620-20130620
• [Presentation] ラット淡蒼球外節と直接路・間接路との関係を形態学的に解析する (2013)
  • Author(s): 水谷 和子,苅部 冬紀,高橋 晋,雲財 知,藤山 文乃
  • Organizer: 第36回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20130620-20130620
• [Presentation] ラットのリズムに基づく行動中または時間間隔に基づく行動中に見られる小脳活動 (2013)
  • Author(s): 山口 健治,高橋 晋,櫻井 芳雄
  • Organizer: 第36回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20130620-20130620
• [Presentation] 海馬と扁桃体間のガンマオシレーションの同期は報酬予測による行動調節に寄与する (2013)
  • Author(s): 寺田 慧、高橋 晋、 櫻井 芳雄
  • Organizer: 第36回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20130620-20130620