運動制御における小脳小規模回路の機能

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Mesoscopic neurocircuitry: towards understanding of the functional and structural basis of brain information processing
• Project/Area Number: 25115705
• Research Institution: University of Yamanashi
• Principal Investigator: 喜多村 和郎 山梨大学, 総合研究部, 教授 (60423159)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 神経科学 / 生理学 / ２光子イメージング

Outline of Annual Research Achievements

運動制御における小脳皮質の機能的役割を明らかにする目的で、２光子イメージングを用い、運動課題実行中の小脳プルキンエ細胞の活動解析を行った。まず、小脳皮質の帯状構造を可視化することのできるマウスを用い、小脳皮質の機能単位である微小帯域の機能イメージングを行った。２光子カルシウムイメージングにより、プルキンエ細胞の登上線維応答観察したところ、登上線維応答の同期性と帯状構造がを１細胞レベルで一致していることが明らかとなった。また、覚醒状態のマウスでこの同期性と帯状構造の一致がどのようになるかを調べたところ、帯状構造をまたいで複数の微小帯域が協調して働いていることが明らかとなった。この結果は、小脳皮質微小帯域と登上線維の関係は投射パターンによって厳密に決まっているものの、脳の覚醒状態や行動状態によって、それらの間のカップリングを柔軟に変化させて、情報処理を行っていることを示唆している。次に、微小帯域の運動制御・運動学習における機能的役割を明らかにするために、頭部固定下のマウスで運動課題を学習途中に、GCaMPによるカルシウムイメージングにより、同一個体で経時的に小脳プルキンエ細胞の活動を観察した。その結果、運動開始のタイミング制御に関わると考えられる活動や、運動の結果としての感覚フィードバックを表現していると思われる活動などが観察され、それらの活動が学習の過程で変化すること、運動や感覚情報を担う機能的微小帯域と帯状構造とが一致していることなどが明らかになりつつある。レバー引きなどのより複雑で精緻な多関節前肢運動についても、同様の実験をおこなっており、これらの実験を通して運動制御・運動学習の基盤となる小脳皮質小規模回路の機能的役割を明らかにしていく。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Structure-function relationships between aldolase C/zebrin II expression and complex spike synchrony in the cerebellum. (2015)
  • Author(s): Tsutsumi, S., Yamazaki, M., Miyazaki, T., Watanabe, M., Sakimura, K., Kano, M. & Kitamura, K.
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Volume: 35 Pages: 843-852
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.2170-14.2015
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Rational design of a high-affinity, fast, red calcium indicator R-CaMP2. (2015)
  • Author(s): Inoue, M., Takeuchi, A., Horigane, S.I., Ohkura, M., Gengyo-Ando, K., Fujii, H., Kamijo, S., Takemoto-Kimura, S., Kano, M., Nakai, J., Kitamura, K. & Bito, H.
  • Journal Title: Nature Methods Volume: 12 Pages: 64-70
  • DOI: 10.1038/nmeth.3185
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Two distinct layer-specific dynamics of cortical ensembles during learning of a motor task. (2014)
  • Author(s): Masamizu, Y., Tanaka, Y.R., Tanaka, Y.H., Hira, R., Ohkubo, F., Kitamura, K., Isomura, Y., Okada, T. & Matsuzaki, M.
  • Journal Title: Nature Neuroscience Volume: 17 Pages: 987-994
  • DOI: 10.1038/nn.3739
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Experience-Dependent Clustering of Sensory Synaptic Inputs in the somatosensory cortex (2015)
  • Author(s): Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
  • Organizer: 第９２回日本生理学会
  • Place of Presentation: 兵庫県神戸市神戸国際会議場
  • Year and Date: 2015-03-23
• [Presentation] Two-photon imaging of neural activity at single neurons and single synapses: Optical physiology in vivo (2014)
  • Author(s): Kazuo Kitamura
  • Organizer: 第３７回日本神経科学学会
  • Place of Presentation: 神奈川県横浜市パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-09-12
• [Presentation] Highly sensitive calcium imaging of neural activity in vitro and in vivo with a new fluorescent calcium indicator, Cal-520 (2014)
  • Author(s): Atsuya Takeuchi, Mayumi Tada, Miki Hashizume, Kazuo Kitamura, Masanobu Kano
  • Organizer: 第３７回日本神経科学学会
  • Place of Presentation: 神奈川県横浜市パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-09-11