Visualizing neural activity of specific striatal cell types during the phases of stimulus discrimination learning

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Correspondence and Fusion of Artificial Intelligence and Brain Science
• Project/Area Number: 19H04985
• Research Institution: Fukushima Medical University
• Principal Investigator: 小林 和人 福島県立医科大学, 医学部, 教授 (90211903)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 刺激弁別学習 / 目標指向行動 / 学習フェーズ / 線条体ニューロンサブタイプ / トランスジェニックラット / カルシウムイメージング

Outline of Annual Research Achievements

環境内の刺激条件に対応した目標指向行動の学習（刺激弁別学習）は、変化する環境におけるヒトや動物の行動的適応の基礎過程の一つである。この学習では、皮質、大脳基底核、視床などを結ぶ大規模回路が重要な役割を果たすと考えられおり、我々の研究グループはこれまでに、独自開発した遺伝子改変技術や細胞標的法を用いて、大脳基底核の入力層に相当する線条体の様々なタイプのニューロンや線条体に投射する神経回路が、刺激弁別学習において果たす役割を明らにしてきた。本研究は、刺激弁別学習の実行期における、2種類の線条体投射ニューロン（直接路／間接路ニューロン）の行動機能を解析するための基盤技術を新たに開発し、投射ニューロンごとに機能解析をおこなうことを目的とした。行動実行中の細胞種特異的な活動記録を目的として、独自開発したTac1-Cre／Drd2-Creラットを利用することで、投射ニューロン種特異的に緑色蛍光カルシウムセンサーを発現誘導する系を確立した。同時に、従来の蛍光内視鏡よりも機能拡張性と低侵襲性に優れた極微細蛍光内視鏡イメージングシステムを導入し、麻酔下および自由行動下のラット線条体の投射ニューロン種特異的な活動イメージングを実現した。また、標的ニューロンを選択的に除去するために、細胞にアポトーシスを誘導する分子量38 kDaの緑膿菌外毒素をCre依存的に発現する系を新たに開発した。さらに、in vivoカルシウムイメージングに適したラット用の聴覚刺激弁別タスクの訓練プロトコルを標準化した。これらの基盤技術を有機的に組み合わせ、行動が安定し、イメージングや摂動実験が比較的容易な実行期の線条体投射ニューロンの機能解析を起点とし、獲得、固定期から実行期を経て、熟達、習慣化期やルール変更期に至る刺激弁別の様々な学習フェーズにおいて、直接路／間接路ニューロンの行動機能解析が可能となった。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Sussex(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: University of Sussex
• [Journal Article] Multimodal Functional Analysis Platform: 1. Ultrathin Fluorescence Endoscope Imaging System Enables Flexible Functional Brain Imaging (2021)
  • Author(s): Osanai Makoto et al.
  • Journal Title: Adv Exp Med Biol. Volume: 1293 Pages: 471～479
  • DOI: 10.1007/978-981-15-8763-4_31
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pseudotyped lentiviral vectors for tract-targeting and application for the functional control of selective neural circuits (2020)
  • Author(s): Kato Shigeki、Kobayashi Kazuto
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Methods Volume: 344 Pages: 108854～108854
  • DOI: 10.1016/j.jneumeth.2020.108854
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Emergence of a Stable Neuronal Ensemble from a Wider Pool of Activated Neurons in the Dorsal Medial Prefrontal Cortex during Appetitive Learning in Mice (2020)
  • Author(s): Brebner Leonie S.、Ziminski Joseph J.、Margetts-Smith Gabriella、Sieburg Meike C.、Reeve Hayley M.、Nowotny Thomas、Hirrlinger Johannes、Heintz Tristan G.、Lagnado Leon、Kato Shigeki、Kobayashi Kazuto、Ramsey Leslie A.、Hall Catherine N.、Crombag Hans S.、Koya Eisuke
  • Journal Title: The Journal of Neuroscience Volume: 40 Pages: 395～410
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1496-19.2019
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Excitatory and inhibitory ensembes of the dorsal medial prefrontal cortex during the strengthening and weakening of the appetitive association (2020)
  • Author(s): Leonie Sophie Brebner, Joseph J Ziminiski, Gabriella Margaretts-Smith, Meike C Seiburg, Hayley M Reeve, Thomas Nowotny, Johannes Hirrlinger, Tristan G Heintz, Leon Lagnado, Shigeki Kato, Kazuto Kobayashi, Leslie A Ramsey, Catherine N Hall, Hans S Crombag, Eisuke Koya
  • Organizer: The 43rd Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society