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Elucidation of the mechanism of diversity formation of cortical neural circuits during the critical period

Planned Research

Project AreaInducing lifelong plasticity (iPlasticity) by brain rejuvenation: elucidation and manipulation of critical period mechanisms
Project/Area Number 20H05917
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (III)
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

大木 研一  東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (50332622)

Project Period (FY) 2020-11-19 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥136,370,000 (Direct Cost: ¥104,900,000、Indirect Cost: ¥31,470,000)
Fiscal Year 2022: ¥23,010,000 (Direct Cost: ¥17,700,000、Indirect Cost: ¥5,310,000)
Fiscal Year 2021: ¥21,840,000 (Direct Cost: ¥16,800,000、Indirect Cost: ¥5,040,000)
Fiscal Year 2020: ¥45,500,000 (Direct Cost: ¥35,000,000、Indirect Cost: ¥10,500,000)
Keywords臨界期 / 大脳皮質 / 神経回路 / 多様性 / 発達 / 視覚野
Outline of Research at the Start

我々の脳は、ほぼ無限に多様な視覚情報を、視覚野のほぼ無限に多様な細胞群によって認識出来る。それでは、この多様性を担う神経回路はどのように形成されるのか?V1の神経細胞の機能の多様性は、 (1)発生・発達プログラムと分子メカニズムによる初期機能の形成、(2) 前臨界期における自発活動による多様性増大、(3) 臨界期における視覚経験によるほぼ無限の多様性形成という複数の過程を通して成立していると考え、これらの多様性形成のメカニズムを解明する。(4)また、高次視覚野では、神経活動に依存した高次視床およびV1から各高次視覚野への情報分配・機能分化の形成が重要であると考え、その形成メカニズムを解明する。

Outline of Annual Research Achievements

前年度に、V1から高次視覚野への皮質間投射はP5であまり発達しておらず、高次視覚野間の皮質間投射も十分発達していないことがわかった。一方、高次視床(LPN)から高次視覚野への投射は、P5の段階で十分発達していることがわかり、背側経路の高次視覚野、腹側経路の高次視覚野はLPNの異なる部位から投射を受けていることがわかった。このことから、P5の段階では、網膜由来の自発活動が、V1を介さず、LPNを介して高次視覚野に到達している可能性が示唆された。
今年度は、このことを、以下の二つの方法で検証した。(1)V1を損傷しても、高次視覚野の自発活動は減少しないことを示した、(2)一方、LPNをGABA agonistで抑制すると、高次視覚野の自発活動は大きく減少することを示した。以上により、各高次視覚野に、高次視床経由で、網膜由来の自発活動が伝わっていることがわかった。
さらに、この網膜から高次視床経由で高次視覚野に伝わってくる自発活動の役割について検証した。この自発活動は、V1から高次視覚野、または高次視覚野間の結合の形成に重要であると仮説を立てた。これを検証するため、生後すぐにマウスの両眼を除去したところ、V1から高次視覚野、または高次視覚野間の結合の発達が重篤に障害された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

研究計画通りに進捗した。

Strategy for Future Research Activity

マウスには9つの高次視覚野があるが、最近我々は、各高次視覚野は多様な反応特性を持ち、機能分化があることを示した(Murakami et al., 2017)。さらに開眼直後には、高次視覚野間の機能差は存在するものの大人よりは分化が進んでおらず、開眼後10日の間に急速に機能分化が進むことを示した(Murakami et al., 2017)。
開眼後に機能分化が進むのは、高次視床もしくはV1から受け取る情報の分化が進むからと考えられる。まず高次視床について考える。高次視床から高次視覚野への投射はP5で既に形成され、背側経路・腹側経路で経路が分離していることがわかってきた。従って、高次視床から高次視覚野への経路は、開眼直後から既にある程度の機能分化を示している可能性がある。このことを、高次視床から高次視覚野へ投射している軸索の2光子カルシウムイメージングで検証する。
Beltramo & Scanziani(2019)は、高次視覚野の一つであるPORの活動は高次視床からの入力に大きく依存していることを示しており、これが他の高次視覚野についても正しいとすると、高次視覚野での開眼後の機能分化の発達は、高次視床から高次視覚野への入力の機能分化が進む結果である可能性が考えられる。これを検証するため、(1)開眼直後には、高次視床から高次視覚野への軸索は機能分化が(ある程度はあるが)あまり進んでいないかどうか、(2)開眼後10日の間に、必要な情報を伝える軸索を残して刈り込まれ機能分化が進むかどうか、高次視床から高次視覚野に投射する軸索の2光子イメージングにより検証する。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(25 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (22 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 8 results)

  • [Journal Article] Response Selectivity of the Lateral Posterior Nucleus Axons Projecting to the Mouse Primary Visual Cortex2022

    • Author(s)
      Kondo Satoru、Kiyohara Yuko、Ohki Kenichi
    • Journal Title

      Front. Neural Circuits

      Volume: 16 Pages: 825735-825735

    • DOI

      10.3389/fncir.2022.825735

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Chromatic micromaps in primary visual cortex2021

    • Author(s)
      Chatterjee Soumya、Ohki Kenichi、Reid R. Clay
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 12 Pages: 22488-22488

    • DOI

      10.1038/s41467-021-22488-3

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Long-Range Interhemispheric Projection Neurons Show Biased Response Properties and Fine-Scale Local Subnetworks in Mouse Visual Cortex2021

    • Author(s)
      Kenta M Hagihara, Ayako Wendy Ishikawa, Yumiko Yoshimura, Yoshiaki Tagawa, Kenichi Ohki
    • Journal Title

      Cereb. Cortex

      Volume: 31 Pages: 1307-1315

    • DOI

      10.1093/cercor/bhaa297

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Hierarchical neocortical areal network in marmoset visual cortex orthogonalize spontaneous and stimulus-driven activity2022

    • Author(s)
      Kenichi Ohki
    • Organizer
      The 11th Annual Meeting of Japan Society for Marmoset Research
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Combined dendritic and somatic non-linear integration of synaptic inputs determine the output tuning in the mouse primary visual cortex neurons2021

    • Author(s)
      Kondo S, Kikuta K and Ohki K
    • Organizer
      The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Inter-stimulus activity in mouse primary visual cortex encodes the timing of future visual events2021

    • Author(s)
      Nakano M, Yoshida T, Ohki K
    • Organizer
      The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] マウスの視覚 サルの視覚2021

    • Author(s)
      大木研一
    • Organizer
      The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Combined dendritic and somatic non-linear integration of synaptic inputs determine the output tuning in the mouse primary visual cortex neurons2021

    • Author(s)
      Kato T, Uemura M, Murakami T, Ohki K
    • Organizer
      The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Neural activity pattern in the mouse visual cortex related to a behavioral strategy during a visual discrimination task2021

    • Author(s)
      Yoshida T, Saitou K, Ohki K
    • Organizer
      The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] マウス一次視覚野における自然画像の表現2021

    • Author(s)
      吉田盛史、大木研一
    • Organizer
      視覚科学フォーラム2021(生理学研究所研究会)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] マウスの視覚 サルの視覚2021

    • Author(s)
      大木研一
    • Organizer
      Brain Club(慶応大学)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Visualization of extra-classical receptive fields that affect visual representation in mouse V12021

    • Author(s)
      Ishida H, Ohki K
    • Organizer
      Society for Neuroscience
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 視覚弁別課題におけるマウスの行動戦略及び、関連した視覚野の活動2021

    • Author(s)
      吉田盛史、斎藤久美子、大木研一
    • Organizer
      令和3年度大脳皮質を中心とした神経回路:構造と機能、その作動原理
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Multimodal topography-like structures represented in spontaneous activity in a mouse higher visual area during development2021

    • Author(s)
      Matsumoto H, Murakami T, Nishio N, Yoshida T, Ohki K
    • Organizer
      The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Somatotopy-like patterns of neural activity in somatosensory and motor cortices of developing mice2021

    • Author(s)
      Go C, Murakami T, Nishio N, Yoshida T, Ohki K
    • Organizer
      The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Orthogonality between maps of direction-selectivity and spatial frequency in the cat primary visual cortex2021

    • Author(s)
      Matsui T, Nishiyama M, Murakami T, Hagihara K, Ohki K
    • Organizer
      The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Functional Organization of Marmoset Visual Cortex2020

    • Author(s)
      Kenichi Ohki
    • Organizer
      Harvard Neurobiology Seminar
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Multiscale calcium imaging of spontaneous activity in the primate visual cortical network2020

    • Author(s)
      T. Matsui, T. Hashimoto, T. Murakami, M. Uemura, K.Kikuta, T. Kato, K. Ohki
    • Organizer
      生理学研究所研究会「意思決定研究の新展開」生理学研究所
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] モザイク遺伝子ノックアウトを用いた、マウス一次視覚野の神経応答特性の形成におけるNMDA受容体の役割の解明2020

    • Author(s)
      菊田浩平、大木研一
    • Organizer
      第43回日本神経科学大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] マウス一次視覚野における反応適応と逸脱検知2020

    • Author(s)
      中野誠大、吉田盛史、大木研一
    • Organizer
      第43回日本神経科学大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] マウス側頭皮質の新規高次視覚野は、前後の小領域ごとに異なる神経投射を示す2020

    • Author(s)
      西尾奈々、澁木克栄、大木研一
    • Organizer
      第43回日本神経科学大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] in vivo大脳皮質広域カルシウムイメージングによるCdkl5機能欠損マウスにおける機能的結合性変化の同定2020

    • Author(s)
      野村俊貴、村上知成、斎藤久美子、大木研一、田中輝幸
    • Organizer
      第43回日本神経科学大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 聴覚性驚愕反応の馴化におけるマウス大脳皮質の神経応答2020

    • Author(s)
      古澤孝太郎、根東覚、大木研一、榎本和生
    • Organizer
      第43回日本神経科学大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Multiscale calcium imaging of spontaneous activity in the primate visual cortical network2020

    • Author(s)
      T. Matsui, T. Hashimoto, T. Murakami, M. Uemura, K.Kikuta, T. Kato, K. Ohki
    • Organizer
      第43回日本神経科学大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Coupling and decoupling between neural activity and hemodynamics revealed bymultispectral imaging2020

    • Author(s)
      R. Li, T. Matsui, K. Ohki
    • Organizer
      第43回日本神経科学大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

URL: 

Published: 2020-11-24   Modified: 2022-12-28  

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