マウス社会性ナビゲーションの多感覚仮想環境における再構成とその包括的理解

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Systems Science of Bio-navigation
• Project/Area Number: 19H04942
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 佐藤 正晃 国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, 客員研究員 (90518325)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: バーチャルリアリティ / 二光子レーザー顕微鏡 / カルシウムイメージング / 社会行動 / 自閉症

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、マウスの社会性ナビゲーション行動を多感覚バーチャルリアリティ環境において再構成し、その行動を支える神経回路活動をカルシウムイメージングで明らかにする。さらに、自閉症モデルマウスがバーチャルナビゲーション行動と神経回路活動に異常を示すかどうか検証する。得られたカルシウムイメージングと行動のデータをデータ科学研究者との共同作業で解析し、従来の仮説検証型の研究では気づきにくいデータの特徴を機械学習などのデータ駆動型の解析によって検出することで、ナビゲーションの学習やその病態の新しい理解を目指す。
本年度は、自閉症モデルマウスのバーチャルナビゲーション行動と海馬の神経回路活動について予備的な解析を行った。自閉症モデルマウスは、バーチャル空間を移動した時間と受けた報酬の回数、およびイメージングされた全細胞数に対する場所細胞の割合が正常マウスに比べ有意に高かった。正常マウスでは、訓練が進むに従ってランドマークの場所に反応する場所細胞の割合が次第に増加したが、自閉症モデルマウスではこの増加が起こらなかった。また正常マウスでは、報酬の場所に反応する場所細胞の割合が訓練初期から増加したが、自閉症モデルマウスでは、このような細胞の割合が、正常マウスよりもさらに増加していた。また正常マウスと自閉症マウスのナビゲーションの軌跡を、データ科学を専門とする班員との共同研究で解析したところ、それぞれのマウスに特徴的な軌跡のパターンの候補が得られた。共同研究による神経活動のパターンの統計的解析も現在進行中である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は、自閉症モデルマウスと正常マウスのバーチャルナビゲーション行動と神経回路活動の違いについての解析が進んだ。また、データ科学者との共同研究による解析の見通しが立ってきたことから、おおむね当初の計画通り進行していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

今後は、バーチャル社会性ナビゲーション中の神経活動イメージングを進める。データ科学的な解析を行い、訓練の初期と後期、あるいは正常マウスと自閉症モデルマウスの比較でそれぞれに特徴的な神経活動パターンが現れるかどうか、および神経活動のパターンから被験動物の行動状態をどの程度正確に推定できるかを明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Astrocytes in Atp1a2‐deficient heterozygous mice exhibit hyperactivity after induction of cortical spreading depression (2020)
  • Author(s): Hiroki Sugimoto, Masaaki Sato, Junichi Nakai and Kiyoshi Kawakami
  • Journal Title: FEBS Open Bio Volume: in press Pages: in press
  • DOI: https://doi.org/10.1002/2211-5463.12848
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An aspherical microlens assembly for deep brain fluorescence microendoscopy (2020)
  • Author(s): Masaaki Sato*, Shotaro Sano, Hiroki Watanabe, Yoko Kudo, Junichi Nakai
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: in press Pages: in press
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2020.04.009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Wide and deep imaging of neuronal activities by a wearable neuroImager reveals premotor activity in the whole motor cortex (2019)
  • Author(s): Takuma Kobayashi, Tanvir Islam, Masaaki Sato, Masamichi Ohkura, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi, Hitoshi Okamoto
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Pages: 8366
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-44146-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Orchestrated ensemble activities constitute a hippocampal memory engram (2019)
  • Author(s): Khaled Ghandour, Noriaki Ohkawa, Chi Chung Alan Fung, Hirotaka Asai, Yoshito Saitoh, Takashi Takekawa, Reiko Okubo-Suzuki, Shingo Soya, Hirofumi Nishizono, Mina Matsuo, Makoto Osanai, Masaaki Sato, Masamichi Ohkura, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi, Takeshi Sakurai, Takashi Kitamura, Tomoki Fukai, Kaoru Inokuchi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Pages: 2637
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-10683-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Minimum aberration deep brain fluorescence microendoscopy using a miniature aspherical lens assembly (2019)
  • Author(s): Masaaki Sato, Shotaro Sano, Hiroki Watanabe, Junichi Nakai
  • Organizer: Society for Neuroscience 49th annual meeting
  • Int'l Joint Research