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予測符号化の細胞基盤の解明

Planned Research

Project AreaFrontiers in brain and life sciences on active information gain in an uncertain environment
Project/Area Number 21H05168
Research Category

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

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (IV)
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

小坂田 文隆  名古屋大学, 創薬科学研究科, 准教授 (60455334)

Project Period (FY) 2021-08-23 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥48,620,000 (Direct Cost: ¥37,400,000、Indirect Cost: ¥11,220,000)
Fiscal Year 2023: ¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000)
Fiscal Year 2022: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000)
Fiscal Year 2021: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Keywords自由エネルギー原理 / 予測符号化 / VR / 階層性 / 細胞 / 視覚運動誤差 / バーチャルリアリティー / 予測誤差 / AAV / wide-field imaging / 高次視覚野 / 全脳イメージング / バーチャル・リアリティー
Outline of Research at the Start

本研究では「視覚と運動の情報はどのような神経回路により統合され、行動を正しく導くのか?」を明らかにする。同問題を計算論的に理解する枠組みとして「予測符号化」を自由エネルギー原理の立場から理解し、Virtual Reality内のマウスに独自開発したウイルス遺伝子工学と光学的手法を適用することで、予測と実際の感覚入力とのずれである「予測誤差」の脳内表現、「予測誤差ニューロン」の同定、その回路構造および情報処理機構を理解し、実際の神経回路における予測符号化の生物学的基盤を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

我々動物は、自身の運動・記憶・経験といった内的な情報を利用し、脳内で外部環境を予測している。その予測と、感覚器から受け取った外部環境からの入力を比較し、予測との誤差を修正することによって外部環境を知覚していると考えられている。本研究では「視覚と運動の情報はどのような神経回路により統合され、行動を正しく導くのか?」を予測符号化の観点から理解することを目的とする。バーチャルリアリティー(VR)では、マウスの運動と視覚的フィードバックの対応関係を任意に統制できるため、視覚と運動のずれを任意に作ることできる。まず視覚・運動情報の統合を担う脳領域を大域的に探索する目的で、Wide-field imagingの系を構築した。血液脳関門通過型カプシドのPHP.eBを用いたアデノ随伴ウイルスベクターにより、大脳皮質全域の興奮性神経細胞にカルシウム感受性緑色蛍光タンパク質であるjGCaMP7fを導入した。同時に、DeepLabCutを用いてマウスの瞳孔および眼球運動を計測・解析した。以上を組み合わせて、VR環境下でマウス背側大脳皮質から広域Ca2+イメージングを行った。VR環境下でマウスの走行に対応した視覚フィードバックを与え、その際にどの脳領域が活動するかを解析した。脳領野はAllen Common Coordinate Framework (ACCF)に従って同定した。VR中で頭部固定したマウスからのイメージングの結果、視覚と運動のミスマッチを提示直後に背側高次視覚野の複数の領野が強く活動することを見出した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

VRおよびwide-field imagingの構築、さらには全脳感染型AAVによりカルシウム感受性蛍光タンパク質の導入に成功し、安定してデータを取得できる実験系を構築できた。さらにこの実験系を用いて、視覚運動ミスマッチに対する応答を見出すことができた。以上より、プロジェクトは順調に進んでいると判断でき、今後はより詳細な解析を行う予定である。

Strategy for Future Research Activity

今後は得られたデータを基に、シグナルの流れを階層性に着目して解析する。さらに得られた神経応答が予測・予測誤差を反映しているかを検証する。

Report

(1 results)
  • 2021 Annual Research Report

Research Products

(23 results)

All 2022 2021

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (15 results) (of which Invited: 6 results)

  • [Journal Article] Fast z-focus controlling and multiplexing strategies for multiplane two-photon imaging of neural dynamics2022

    • Author(s)
      Ito Kei N.、Isobe Keisuke、Osakada Fumitaka
    • Journal Title

      Neuroscience Research

      Volume: - Pages: 15-23

    • DOI

      10.1016/j.neures.2022.03.007

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Monosynaptic rabies virus tracing from projection-targeted single neurons2022

    • Author(s)
      Masaki Yuji、Yamaguchi Masahiro、Takeuchi Ryosuke F.、Osakada Fumitaka
    • Journal Title

      Neuroscience Research

      Volume: 178 Pages: 20-32

    • DOI

      10.1016/j.neures.2022.01.007

    • Related Report
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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] あいまい環境に対峙する脳・生命体の情報獲得戦略の解明2022

    • Author(s)
      小坂田 文隆.
    • Journal Title

      Neuroscience News

      Volume: - Pages: 31-33

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  • [Journal Article] 脳機能の理解と中枢神経系疾患の克服を目指した多分野融合薬理学研究2022

    • Author(s)
      小坂田 文隆.
    • Journal Title

      最先端ナノライフシステム研究

      Volume: - Pages: 138-146

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  • [Journal Article] Generation and Application of Engineered Rabies Viral Vectors for Neural Circuit Research2022

    • Author(s)
      Masahiro Yamaguchi, Moe Iwata, Riki Kamaguchi, Fumitaka Osakada,
    • Journal Title

      Neuromethods

      Volume: -

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  • [Journal Article] Efficient and robust induction of retinal pigment epithelium cells by tankyrase inhibition regardless of the differentiation propensity of human induced pluripotent stem cells2021

    • Author(s)
      Ito Arisa、Ye Ke、Onda Masanari、Morimoto Nao、Osakada Fumitaka
    • Journal Title

      Biochemical and Biophysical Research Communications

      Volume: 552 Pages: 66-72

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2021.03.012

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Temporally multiplexed dual-plane imaging of neural activity with four-dimensional precision2021

    • Author(s)
      Onda Masanari、Takeuchi Ryosuke F.、Isobe Keisuke、Suzuki Toshiaki、Masaki Yuji、Morimoto Nao、Osakada Fumitaka
    • Journal Title

      Neuroscience Research

      Volume: - Pages: 9-18

    • DOI

      10.1016/j.neures.2021.02.001

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  • [Journal Article] 背側視覚経路の機能と回路構造2021

    • Author(s)
      16.佐藤 彰典, 竹内 遼介, 小坂田 文隆
    • Journal Title

      Clinical Neuroscience

      Volume: 40 Pages: 21-25

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  • [Presentation] Development of a novel Brain-Machine Interface by wide-field microscopy.2022

    • Author(s)
      Kentaro Ibuka, Ryosuke F. Takeuchi, Akinori Y. Sato, Kei N. Ito, Masahiro Yamaguchi and Fumitaka Osakada
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      第95回日本薬理学会年会
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  • [Presentation] Anatomical identification of segregated network modules of the retrosplenial cortex along the cingulate cortex2022

    • Author(s)
      Rumina Ueda, Yuji Masaki, Masahiro Yamaguchi, Ryosuke Takeuchi, Fumitaka Osakada.
    • Organizer
      第95回日本薬理学会年会
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  • [Presentation] An in vitro model of thalamocortical and corticothalamic interactions using human induced pluripotent stem cells.2022

    • Author(s)
      Masatoshi Nishimura, Tomoki Kodera, Fumitaka Osakada.
    • Organizer
      第95回日本薬理学会年会
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  • [Presentation] Monosynaptic rabies virus tracing from projection-targeted single neurons2022

    • Author(s)
      Yuji Masaki, Masahiro Yamaguchi, Ryosuke Takeuchi, Fumitaka Osakada
    • Organizer
      日本生理学会
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  • [Presentation] The dynamics of acetylcholine in the whole cortex of the mouse performing the visual detection task2022

    • Author(s)
      Akinori Y. Sato, Ryosuke F. Takeuchi, Kei N. Ito, Masahiro Yamguchi, Fumitaka Osakada
    • Organizer
      日本生理学会
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  • [Presentation] 標的受容体発現ニューロンに特異的なウイルスベクター標識法の開発2022

    • Author(s)
      釜口力、田村朋則、森本菜央、浜地格、小坂田文隆
    • Organizer
      日本薬学会
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  • [Presentation] Imaging, viral, and machine learning approaches in stem cell biology2022

    • Author(s)
      小坂田文隆
    • Organizer
      第95回日本薬理学会
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    • Invited
  • [Presentation] Evaluation of cell products and brain functions with optical imaging2022

    • Author(s)
      小坂田文隆
    • Organizer
      日本再生医療学会
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    • Invited
  • [Presentation] 低毒化G欠損狂犬病ウイルスベクターの開発2021

    • Author(s)
      山口真広、恩田将成、正木佑治、竹内遼介、森本菜央、小坂田文隆
    • Organizer
      第139回日本薬理学会近畿部会
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  • [Presentation] Distributed encoding of visuomotor mismatch signals through posterior cortical circuits2021

    • Author(s)
      竹内遼介、伊藤慶、上田るみな、山口真広、小坂田文隆
    • Organizer
      第44回日本神経科学大会
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  • [Presentation] Posterior cortical networks hierarchically encode visuomotor error signals2021

    • Author(s)
      竹内遼介、伊藤慶、上田るみな、山口真広、小坂田文隆
    • Organizer
      生理研研究会『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』
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  • [Presentation] 視覚と運動の統合メカニズムの解明と再生医療等製品の開発を目指して2021

    • Author(s)
      小坂田文隆
    • Organizer
      iSeminar
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  • [Presentation] 新規治療戦略の創出を目指した幹細胞および神経回路研究2021

    • Author(s)
      小坂田文隆
    • Organizer
      医歯学総合研究科大学院セミナー
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    • Invited
  • [Presentation] Hierarchical processing of visuomotor error signals in posterior cortical networks2021

    • Author(s)
      小坂田文隆
    • Organizer
      遺伝研研究会「哺乳類脳の機能的神経回路の構築メカニズム」
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  • [Presentation] 空間視知覚を担う視覚背側経路の予測処理2021

    • Author(s)
      小坂田文隆
    • Organizer
      第39回埼玉認知症研究会
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    • Invited

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Published: 2021-10-22   Modified: 2023-07-19  

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