2012 Fiscal Year Research-status Report
大脳基底核のドーパミン依存性競合プロセスに基づく動的な状態空間分割モデルの提案
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24700200
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| Research Institution | National Defense Medical College |
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Principal Investigator |
太田 宏之 防衛医科大学校(医学教育部医学科進学課程及び専門課程、動物実験施設、共同利用研究, 医学教育部医学科専門課程, 助教 (20535190)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2014-03-31
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| Keywords | 大脳基底核 / 線条体 / オプトジェネティクス / 側抑制 |
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| Research Abstract |
(1) 電気生理実験
本年度は、チャネルロドプシン2発現ラットの大脳皮質-線条体スライスの作成・刺激手法の確立を行い、多電極計測を行った。その結果、大脳皮質２領域の刺激に対して、AND演算的及びOR演算的に応答する線条体ニューロンが見つかったのみならず、XOR（排他的論理和）的に応答するニューロンを発見した。このことは、大脳皮質-線条体経路において側抑制が有効に機能していることを示している。
大脳皮質２領域の刺激に用いるパターン照射装置を開発した。DLPプロジェクターの開発ツールキットを用いて、MATLABから刺激パターン及び刺激タイミングをコントロールできるようにソフトウェア及び制御回路を開発した。現時点で知りうる限り、刺激タイミングをミリ秒単位で厳密にコントロール出来る国内唯一のオプトジェネティクス用のパターン照明装置である。
また、1秒間の大脳皮質もしくは線条体への光刺激に対して、線条体ニューロンが刺激期間後も持続的に発火し、かつ、その持続期間が繰り返し刺激によって徐々に時間発展するという奇妙な現象を発見した。薬理実験の結果を加えた論文の投稿準備中である。
(2) シミュレーション実験
Izhikevichモデルベースの線条体Medium Spiny Neuronのモデルを元に、GABAB受容体によるシナプス前抑制モデルを構築し、追加学習能力及び弁別能力についてシナプス前抑制を除いたモデルと比較した。結果、シナプス前抑制が無い場合、それらの能力間にトレードオフの関係が見られたものの、シナプス前抑制が有る場合、トレードオフが解消されるという結果を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
２入力に対してXOR演算的な発火パターン示すニューロンは、既に海馬培養スライスにおいて発見されているが、ミリ秒単位の瞬間的なものである。一方、我々の発見した現象は、1.5秒の刺激(A)と0.5秒の刺激(B)が同時に与えられたとき、同時刺激期間中の0.5秒のみ応答が消失し、AもしくはB単独の刺激では応答するという、強固なXOR演算の証拠である。これは、大脳皮質－線条体回路に選択的な回路が存在していることを示唆しており、大きな発見である。
また、線条体が持続的発火を示し、かつ、その持続時間が時間発展するという現象は、これまで知られている線条体におけるUPSTATE-DOWNSTATEとの関連が想定され、また、遅延報酬課題を実現するeligibility traceのメカニズムの候補にもなりうる。
以上のように、大脳皮質－線条体回路における相互抑制による競合や持続的発火に関する面白い現象が発見されたことから、これらの結果をもとに線条体の機能についてのチャレンジングな理論的および仮説的な研究を発展させることが可能である。
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| Strategy for Future Research Activity |
大脳皮質－線条体回路におけるXOR的演算が、いずれの抑制性の受容体に依存しているのかについて実験を進める。また、思いがけず発見した持続的発火の時間発展がどのようなチャネルおよび細胞内シグナリングに依存しており、また、どのような受容体による修飾を受けるのかを特定する。
引き続きシナプス前抑制モデルのシミュレーション実験を継続し、論文化を行う。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
他予算にて人件費の支出が可能となったこと等から、残額を次年度に繰り越すこととした。主に、実験補助及び解析補助人員を雇用するための人件費に充てる。
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[Journal Article] Paired stimulation between CA3 and CA1 alters excitability of CA3 in the rat hippocampus2013
Author(s)
Ohta H, Sakai S, Ito S, Ishizuka T, Fukazawa Y, Kemuriyama T, Tandai-Hiruma M, Mushiake H, Sato Y, Yawo H, Nishida Y.
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Journal Title
Neuroscience Letters
Volume: 534
Pages: 182-187
DOI
Peer Reviewed
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