大脳聴覚野・記憶-連想回路の二光子イメージング解析

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26830008
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 塚野 浩明 新潟大学, 脳研究所, 助教 (90624338)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 二光子イメージング / フラビン蛋白蛍光イメージング / 可塑性 / 脳機能イメージング / マウス / 大脳聴覚野 / 和音 / 記憶

Outline of Annual Research Achievements

我々の研究の目的は、大脳皮質一次聴覚野(AI)が、過去に聞いた声のパターンを経験として保持し、外界からの刺激をトリガーとして保持している神経活動パターンを再現する「記憶-連想回路」として働いていることを示すことである。しかしそれ以前に、マウスにおいてAI自体がどこにあるのか、その明確な場所の定義が実はよく定まっていない問題が浮き彫りになって来た。我々は、これまでAIと理解されてきた領域は、AIと他の亜領域が混同されているものであることを突き止め、AIとDorsomedial field (DM)という2つの領域に分離することに成功した(Tsukano et al., J. Neurophysiol., 2015)。これにより、ようやく本当の「AI」において、正しく生理学的機能を研究する基盤を整えることに成功したと言える。

自然界で発する音は倍音関係が基本である。従って、経験により形成される記憶-連想回路は、倍音列に乗った音にチューンされたニューロンが結合していると想定される。即ち、5+10+15+20+25・・・ kHzなどの組合せ単位の神経回路が存在していると考えられる。従って、一部の手掛かりである20+25 kHzの音が入力されると、回路が駆動し、5 kHzや10 kHzニューロンも連想され活動すると考えられる。実際のフラビン蛋白蛍光イメージング計測では、AIでそのような連想活動が観察された。さらに、この欠けた音を補う様な連想神経活動が、DM領域で起こるか否か検証したところ、DM領域では起こりにくいことが判った。即ち、「記憶-連想回路」はAI特異的な機能である可能性が高いことが示された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究の前提となる「一次聴覚野(AI)」が、異なる2つの領域が混同されたものであることを突き止め、本来のAIの正しい場所を同定することが出来た。AIがもっとも基本的な聴覚領域で、もっとも多く研究されていることを考えると、この成果は今後の聴覚野研究を大きく発展させるものと考える。さらに、連想活動が起こる聴覚領域に特異性があることも発見し、もう一方のDM領域では連想活動が観察されないことも判った。

Strategy for Future Research Activity

聴覚記憶-連想回路が我々の定義した「AI」に特異的である可能性を示せたことは大きな進歩である。従って、今後AIを二光子イメージングで重点的に解析していく。二光子イメージングを用いると、層別の解析が可能である。記憶-連想回路がAIの2/3層に存在することは二光子イメージングで確認している。一方、4層は入力層であるため、連想-記憶回路は存在しない可能性が高い。さらに、出力層である5層でも保存されている可能性もある。これらのことを検証していく。

Causes of Carryover

本年度は、想定していたよりもカルシウム指示薬の使用量が少なかった。これは、研究遂行上無駄が生じず、効率的に研究出来た結果によると考えられる。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度の実験に必要な、カルシウム指示薬や蛍光神経トレーサーなどに振り分けて使用する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Delineation of a frequency-organized region isolated from the mouse primary auditory cortex (2015)
  • Author(s): Tsukano H, Horie M, Bo T, Uchimura A, Hishida R, Kudoh M, Takahashi K, Takebayashi H, Shibuki K
  • Journal Title: Journal of Neurophysiology Volume: 113 Pages: 2900-2920
  • DOI: 10.1152/jn.00932.2014
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Impaired clustered protocadherin-α (cPcdh-α) leads to aggregated retinogeniculate terminals and impaired visual acuity in mice (2015)
  • Author(s): Meguro R, Hishida R, Tsukano H, Yoshitake K, Imamura R, Tohmi M, Kitsukawa T, Hirabayashi T, Yagi T, Takebayashi H, Shibuki K
  • Journal Title: Journal of Neurochemistry Volume: 133 Pages: 66-72
  • DOI: 10.1111/jnc.13053
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Re-definition of the primary auditory cortex by separating a newly identified region and their functional specialization in mice (2015)
  • Author(s): Tsukano H, Shibuki K
  • Organizer: 第92回日本生理学会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [Presentation] Ischemia-induced potentiation of cortical responses to hindpaw stimulation is partly mediated by nitric oxide at the spinal cord level (2015)
  • Author(s): Ohnishi T, Watanabe T, Tsukano H, Hishida R, Kohno T, Baba H, Shibuki K
  • Organizer: 第92回日本生理学会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [Presentation] The secondary auditory cortex receives topological projections from the ventral division of the medial geniculate body in mice (2015)
  • Author(s): Ohga S, Tsukano H, Shibuki K
  • Organizer: 第92回日本生理学会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [Presentation] Prediction error responses in the mouse posterior parietal cortex are dependent on protocadherin-α diversity (2015)
  • Author(s): Yoshitake K, Tsukano H, Hishida R, Yagi T, Shibuki K
  • Organizer: 第92回日本生理学会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [Presentation] Higher visual cortices responsible for shape recognition in mice (2015)
  • Author(s): Yamagishi T, Tsukano H, Kamatani D, Hishida R, Yamamoto Y, Yagi T, Shibuki K
  • Organizer: 第92回日本生理学会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [Presentation] Postnatal developmental observations of abnormal retinal terminal aggregation in the cPcdh- α KO mice (2015)
  • Author(s): Meguro R, Hishida R, Tsukano H, Yoshitake K, Kitsukawa T, Hirabayashi K, Takebayashi H, Yagi T, Shibuki K
  • Organizer: 第92回日本生理学会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [Presentation] Somatosensory Cortical Responses after Crossing Nerve Transfer in Mice (2015)
  • Author(s): Maniwa K, Yamashita H, Tsukano H, Hishida R, Endo N, Shibata M, Shibuki K
  • Organizer: 第92回日本生理学会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-23
• [Presentation] Transcranial imaging of cortical activities after sound-shape association in mice (2014)
  • Author(s): Tatsuya Yamagishi, Hiroaki Tsukano, Daiki Kamatani, Ryuichi Hishida, Sugata Takahashi, Katsuei Shibuki
  • Organizer: 第37回日本神経科学学会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] Inhibitory controls from the parietal association area to the primary visual cortex in mice (2014)
  • Author(s): Ryuichi Hishida, Masao Horie, Hiroaki Tsukano, Manavu Tohmi, Katsuei Shibuki
  • Organizer: 第37回日本神経科学学会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] Dorsal high frequency area of the primary auditory cortex responding to ultrasonic male songs in mice (2014)
  • Author(s): Hiroaki Tsukano, Masao Horie, Ryuichi Hishida, Katsuei Shibuki
  • Organizer: 第37回日本神経科学学会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] Impaired multisensory responses in the posterior parietal cortex of mice with a reduced cluster number of protocadherin-α (2014)
  • Author(s): Kohei Yoshitake, Hiroaki Tsukano, Manabu Tohmi, Ryuichi Hishida, Takeshi Yagi, Katsuei Shibuki
  • Organizer: 第37回日本神経科学学会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] Roles of the extrageniculate pathway in properties of higher visual cortices of mice (2014)
  • Author(s): Manavu Tohmi, Reiko Meguro, Hiroaki Tsukano, Ryuichi Hishida, Masao Norita, Katsuei Shibuki
  • Organizer: 第37回日本神経科学学会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] Direct and indirect somatosensory cortical responses after crossing nerve transfer in mice (2014)
  • Author(s): Keiichi Maniwa, Haruyoshi Yamashita, Hiroaki Tsukano, Ryuichi Hishida, Minoru Shibata, Naoto Endo, Katsuei Shibuki
  • Organizer: 第37回日本神経科学学会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13