2013 Fiscal Year Research-status Report
連合記憶に関わる霊長類大脳皮質層構造の機能分化：構造ＭＲＩと電気生理学による研究
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25830001
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Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小谷野 賢治 東京大学, 医学(系)研究科(研究院), 助教 (90613315)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | MRI / 皮質層構造 / 電気生理 / 連合記憶 / 高次認知機能 / 霊長類 / エルジロイ / 微小電極 |
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| Research Abstract |
本研究では、視覚性連合記憶に関する大脳皮質層構造の機能分化を調べることで、その情報処理過程を解明することを目的としている。当該年度においては、２個体めに関する神経活動データの収集を完了した。全個体の神経活動記録データを解析し、その結果を国際学会で発表した。また、組織切片を作成しその解析を行なった。
当該年度においてはまず、前年度までに視覚性連合記憶課題の訓練を終了した個体を対象として、神経活動データの記録を行った。特に、記録中に構造MRI画像を取得することで、記録された神経細胞活動の位置を同定しながら進めた。具体的には、タングステン留置電極を用い、１回の電極刺入につき3～5日程度をかけて、MRIにより電極先端を定位しながら神経細胞活動を記録した。その際、課題遂行下の神経細胞活動記録と麻酔下のMRI撮像による電極先端の定位を１日ごとに交互に行い、神経活動記録時のマニピュレータの目盛りとMRI構造画像をあわせ、活動を記録した全ての神経細胞の位置を再構成した。上記のような手法を繰り返すことで、当該個体の左右の大脳半球から、嗅周皮質周辺における計500以上の神経細胞の活動を記録し、その詳細な位置を同定した。神経活動記録を終了後、当該個体を灌流固定し、嗅周皮質周辺の凍結組織切片を作成した。前年度までにおいて灌流固定を行い凍結していた他1個体の組織も、同様に嗅周皮質周辺の凍結組織切片を作成した。これらの組織切片にニッスル染色を行うことで、大脳皮質層構造を同定した。現在、記録した神経細胞の位置を大脳皮質層構造上に対応させる作業を行い、記憶に関する神経細胞の機能と皮質層構造との関係を解析中である。MRI画像上における神経細胞の位置情報を用いた予備的な解析からは、記憶に関係した神経細胞の遅延活動が皮質の深部側に関連しているという結果を得ることができ、米国神経科学学会大会において発表を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の研究計画においては、当該年度においては神経活動データの収集を完了する個体はいないと予想していた。しかしながら、実際には当該年度の終了時点において既に2個体の神経活動データの収集を完了し、組織切片の作成をも完了することができた。これは当初の研究計画に照らせば、1年以上の期間短縮を達成したことになる。しかも、2個体から活動を記録した神経細胞の数は1000以上もの数となり十分なサンプルサイズを満たすうえ、個体間のデータ傾向も一致した。このようにデータの質が予想以上に高かったため、当初研究計画において導入を予定していた３個体目からの神経活動記録を行わずとも、十分に信頼のおける結論を導きだせる可能性が高い。これは必要な実験量を当初の予想よりも30%以上減らせることに繋がり、結果的に研究の大幅な進展になると考えられる。
さらに、実験終了時のMRI画像データを活用することで、組織切片の作成完了を待たずして予備的な解析を開始することができた。その結果、神経細胞活動と皮質層構造の関連における重要な結果を早い段階で得ることができ、次年度以降の解析に道筋をつけることができた。この解析によって得られた結果は当該年度において既に国際学会における発表をすることができたため、成果発表の観点からも進展は大きかったと言える。
以上の理由から、当該年度における本研究の進捗は当初の計画以上に進展したとして差し支えないと判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
当該年度においては当初の研究計画以上に内容を進展することができた。また、質量ともに十分なデータを得ることができたため、当初計画で予定していた3個体目の実験への導入は中断しても差し支えないと考えられる。これを踏まえたうえで、次年度以降においては当初の研究計画を前倒しして履行するとともに、データ解析とその成果発表に注力する予定である。特に、実験データに関しては多岐にわたる解析を行うことを予定している。
より具体的には、単一神経細胞活動に関し、連合記憶に関する皮質層構造の機能分化を中心に定量的な解析を行う。活動を記録した個々の神経細胞の反応を解析し、手がかり刺激の保持に関わるもの、記憶の符号化に関わるもの、想起に関わるものに分類し、それぞれが同じ層に存在するのか異なる層に分かれて存在するのか、解剖学的な入力層に存在するのか出力層に存在するのかを調べ、各層が連合記憶に果たす役割を明らかにする。また、刺激に対する反応潜時を解析することで、層間における情報の流れを明らかにする。さらに、発火波形を基に興奮性細胞と抑制性介在細胞を分類し、各層においてどのような情報処理が行われているのかを明らかにする。各神経細胞の発火パターン周波数および局所電場電位とのコヒーレンス周波数を調べ、各層においてどのような神経細胞集団が協調して情報処理をしているのかを明らかにする。これらの結果をあわせ、研究成果の発表を順次行っていくことを予定している。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
当初の研究計画においては、当該年度において２個体を使用した実験を年間を通して行う予定であった。しかし実際には当該年度開始前に1個体の実験を既に終了することができ、さらに他１個体の実験に関しても当初予定よりも短期間で十分なデータ取得を完了することができた。その結果、研究計画は大きく進展しつつも当該年度の実験量は当初予定よりも大幅に減り、それに伴って当該年度の使用額を減額した。次年度以降においては下記に記述するように解析および成果発表を集中的に行うことが予想されるため、当初予定よりも経費が増大し、当該年度の減額分を次年度において使用する必要性があると判断した。
次年度では、上述のとおり解析と成果発表に注力する予定である。現状すでに予備的な解析を開始しており、当初予定にはなかった、神経活動の周波数解析などのより高次な解析を視野に入れることができるようになった。このような解析からより深く新しい知見がもたらされることが期待できるが、高い計算力とより専門的な解析プログラムが必要となるため、コンピュータおよび科学計算ソフトウェアを新規に導入する予定である。
本研究と密接に関連した手法として、異なる層から同時に神経活動を記録可能な多点並列プローブが近年において著しく発展している。これらプローブを新規に導入し、MRI構造画像と組み合わせることで、皮質層構造間における情報処理をより詳細に調べる実験を開始することを予定している。
全体として当初計画よりも早く進行しているため、最終年度に予定していた論文発表および学会発表を繰り上げて次年度に行う予定である。
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[Presentation] MRI-assisted single-unit recording revealed precise neuronal map in the perirhinal cortices of macaque monkeys performing a visual pair-association task.2013
Author(s)
Koyano KW, Takeda M, Matsui T, Ohashi Y, Hirabayashi T, Kakizawa K, Watanabe T, Miyashita Y.
Organizer
Society for Neuroscience 43rd annual meeting, 2013
Place of Presentation
San Diego, CA, USA
Year and Date
20131112-20131112
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[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 KW, Wang N, Matsuyama M, Sekine T, Miyashita Y.
Organizer
Society for Neuroscience 43rd annual meeting, 2013
Place of Presentation
San Diego, CA, USA
Year and Date
20131112-20131112
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