Adaptive circuit dynamics for operant learning of optimal behavior

• Project Area: Census-based biomechanism of circuit construction and transition for adaptive brain functions
• Project/Area Number: 21H05242
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: 礒村 宜和 東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 教授 (00415077)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐藤 暢哉 関西学院大学, 文学部, 教授 (70465269) ; 苅部 冬紀 北海道大学, 医学研究院, 助教 (60312279)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥112,710,000 (Direct Cost: ¥86,700,000、Indirect Cost: ¥26,010,000); Fiscal Year 2025: ¥23,790,000 (Direct Cost: ¥18,300,000、Indirect Cost: ¥5,490,000); Fiscal Year 2024: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000); Fiscal Year 2023: ¥23,140,000 (Direct Cost: ¥17,800,000、Indirect Cost: ¥5,340,000); Fiscal Year 2022: ¥15,730,000 (Direct Cost: ¥12,100,000、Indirect Cost: ¥3,630,000); Fiscal Year 2021: ¥26,650,000 (Direct Cost: ¥20,500,000、Indirect Cost: ¥6,150,000)
• Keywords: オペラント学習 / ラット / 大脳皮質 / 大脳基底核 / トランスクリプトーム / げっ歯類

Outline of Research at the Start

本計画研究では、ラットのオペラント学習に関与する大脳皮質のPT型・IT型投射細胞や大脳基底核線条体の直接路・間接路投射細胞に注目し、傍細胞記録やマルチユニット記録や2光子イメージングに単一細胞RNA-seq解析と理論的考証を組み合わせて、オペラント学習に伴う適応回路動態の仕組みを理解する。さらに、幅広いオペラント学習の行動解析を進めるとともに、大脳皮質-基底核の適応回路を支えるシナプス機能や可塑性の仕組みも解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本計画では、げっ歯類の行動を最適化するオペラント学習を担う大脳皮質と大脳基底核の適応回路動態の仕組みを解明することを目指す。オペラント学習に関与する大脳皮質のPT型・IT型投射細胞と、それらの投射先である大脳基底核線条体の直接路・間接路投射細胞に注目し、マルチユニット記録や２光子イメージングで神経活動を計測した後に、単一細胞RNA-seq解析で各細胞の遺伝子発現プロファイルを決定し、適応回路の構成細胞の固有特性を明らかにする。その責任回路の因果性を光遺伝学的に検証したうえで理論的モデルにより作動原理を理解する。また幅広いオペラント学習の行動解析をおこなうとともに、大脳皮質-基底核の適応回路を支えるシナプス機能や可塑性の仕組みも解明する。
本年度は、礒村（研究代表者）はラットが前肢でのレバー操作により報酬の水滴を得るオペラント学習課題を遂行中に、大脳皮質や大脳基底核における神経細胞のスパイク活動を電気生理学的に計測した。報酬期待による大脳基底核の行動関連活動の促進作用に関する論文を発表した（Rios, 2023）。現在、2光子レーザー顕微鏡によるカルシウムイメージングとトランスクリプトーム解析を組み合わせる実験系の構築を試みている（研究協力者：平理一郎）。佐藤（分担者）はげっ歯類に援助行動やナビゲーション行動や触覚弁別行動に関するオペラント学習課題を課し、堀江班と連携で学習前後で発現が変化する遺伝子の候補を特定し，引き続きその発現解析を進めているところである。苅部（分担者）はホールセルパッチ記録と形態学的可視化を組み合わせて、ラットの大脳基底核の線条体や淡蒼球の神経回路および視床－基底核投射に関して神経細胞サブタイプの構成とシナプス機能の特性を明らかにし、また一細胞レベルの空間トランスクリプトーム解析を開始した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は礒村（研究代表者）、佐藤（分担者）、苅部（分担者）ともに当初の研究構想に沿って行動実験系、電気生理学的、形態学的実験系を構築し、実際の実験データの取得を開始した。それぞれ興味深い予備的所見を得つつあり、研究計画はおおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

次年度は、礒村（研究代表者）はラット・マウスの大脳皮質（特に前頭前野のIT型・PT型投射細胞）からオペラント学習課題の行動や報酬の予測や応答に関連するスパイク活動データを収集する行動生理学実験を継続する。大脳皮質の神経細胞にCAMPARIを発現させておき、光照射で活動細胞を蛍光ラベルして１細胞トランスクリプトーム解析を施す実験系の確立に努める。また、腹側被蓋野のドーパミン細胞のトランスクリプトーム解析も開始する。佐藤（分担者）は開発した行動課題の学習過程に関連した遺伝子の候補について、その発現量の検討を進める。さらに、in situハイブリダイゼーション法により、当該遺伝子の発現の分布を調べる。苅部（分担者）はラットの大脳皮質や大脳基底核のスライス標本をもちいて、ホールセル記録により細胞種特異的なシナプス結合とその機能を解析する。また、経シナプス性のウイルスベクターを用いて、その神経回路を明らかにする。さらに、空間トランスクリプトームを含む単一細胞RNA-seq解析により、細胞種特異的な遺伝子発現と局所回路の関係を検討する。いずれも堀江班や郷班と連携したトランスクリプトーム解析を実現するための実験技術上の予備的検討を含めて実施する。

Research Products

• [Journal Article] Contribution of the retrosplenial cortex to route selection in a complex maze. (2024)
  • Author(s): Hayashi T, Sato N.
  • Journal Title: Neurosci Res. Volume: 202 Pages: 52-59
  • DOI: 10.1016/j.neures.2023.11.011
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reach-to-Grasp and tactile discrimination task: A new task for the study of sensory-motor learning (2024)
  • Author(s): Yoshinaga Yudai、Sato Nobuya
  • Journal Title: Behavioural Brain Research Volume: 466 Pages: 115007-115007
  • DOI: 10.1016/j.bbr.2024.115007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Anterograde trans-neuronal labeling of striatal interneurons in relation to dopamine neurons in the substantia nigra pars compacta (2024)
  • Author(s): Karube Fuyuki、Yang Yang、Kobayashi Kenta、Fujiyama Fumino
  • Journal Title: Frontiers in Neuroanatomy Volume: 18 Pages: 1325368-1325368
  • DOI: 10.3389/fnana.2024.1325368
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Empathy in rodents (2023)
  • Author(s): Sato Nobuya
  • Journal Title: JAPANESE JOURNAL OF RESEARCH ON EMOTIONS Volume: 30 Issue: 3 Pages: 61-72
  • DOI: 10.4092/jsre.30.3_61
  • ISSN: 1882-8817, 1882-8949
  • Year and Date: 2023-11-30
  • Open Access
• [Journal Article] Reward expectation enhances action-related activity of nigral dopaminergic and two striatal output pathways (2023)
  • Author(s): Rios Alain、Nonomura Satoshi、Kato Shigeki、Yoshida Junichi、Matsushita Natsuki、Nambu Atsushi、Takada Masahiko、Hira Riichiro、Kobayashi Kazuto、Sakai Yutaka、Kimura Minoru、Isomura Yoshikazu
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 6 Issue: 1 Pages: 914-914
  • DOI: 10.1038/s42003-023-05288-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rat hippocampal CA1 region represents learning-related action and reward events with shorter latency than the lateral entorhinal cortex (2023)
  • Author(s): Soma Shogo、Ohara Shinya、Nonomura Satoshi、Suematsu Naofumi、Yoshida Junichi、Pastalkova Eva、Sakai Yutaka、Tsutsui Ken-Ichiro、Isomura Yoshikazu
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 6 Issue: 1 Pages: 584-584
  • DOI: 10.1038/s42003-023-04958-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Working memory-based and -free reward prediction in a dual dopamine system in the basal ganglia (2023)
  • Author(s): Yoshizawa Tomohiko、Miyamura Yuuto、Ochi Yuta、Hira Riichiro、Funahashi Makoto、Sakai Yutaka、Cui Yilong、Isomura Yoshikazu
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: 033405-033405
  • DOI: 10.1101/2023.03.06.531239
  • Open Access
• [Journal Article] How to turn the corner: Discrimination of path shapes in rats (2022)
  • Author(s): Sato Nobuya、Sato Ayaka
  • Journal Title: Learning & Behavior Volume: 50 Issue: 2 Pages: 254-262
  • DOI: 10.3758/s13420-021-00491-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Helping behavior in prairie voles: A model of empathy and the importance of oxytocin (2022)
  • Author(s): Kitano Kota、Yamagishi Atsuhito、Horie Kengo、Nishimori Katsuhiko、Sato Nobuya
  • Journal Title: iScience Volume: 25 Issue: 4 Pages: 103991-103991
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.103991
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 脳梁膨大後皮質の機能―ラットの空間認知・記憶における役割について. (2022)
  • Author(s): 佐藤暢哉
  • Journal Title: Clinical Neuroscience Volume: 40 Pages: 37-41
• [Journal Article] Conservation of the Direct and Indirect Pathway Dichotomy in Mouse Caudal Striatum With Uneven Distribution of Dopamine Receptor D1- and D2-Expressing Neurons (2022)
  • Author(s): Ogata Kumiko、Kadono Fuko、Hirai Yasuharu、Inoue Ken-ichi、Takada Masahiko、Karube Fuyuki、Fujiyama Fumino
  • Journal Title: Frontiers in Neuroanatomy Volume: 16 Pages: 1-22
  • DOI: 10.3389/fnana.2022.809446
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hippocampal CA1 represents action and reward events instantly compared to the superficial and deep layers of the lateral entorhinal cortex (2022)
  • Author(s): Soma Shogo、Ohara Shinya、Nonomura Satoshi、Yoshida Junichi、Suematsu Naofumi、Pastalkova Eva、Sakai Yutaka、Tsutsui Ken-Ichiro、Isomura Yoshikazu
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2022.03.31.485431
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Cell type and compartment selective excitatory/inhibitory projection in the cortico-basal ganglia-thalamus network (2024)
  • Author(s): Fuyuki Karube, Fumino Fujiyama
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
  • Invited
• [Presentation] 予想外の結果を生み出す脳科学 (2023)
  • Author(s): 礒村 宜和
  • Organizer: サロン・ド・脳 Salon du Brain（京都大学, 京都市左京区）
  • Invited
• [Presentation] 随意運動発現における大脳基底核の役割 ～行動の最適化を実現する～ (2023)
  • Author(s): 礒村 宜和
  • Organizer: 第37回日本大脳基底核研究会 JBAGS2023（アートホテル旭川, 旭川）
  • Invited
• [Presentation] Parallel processing of working memory-based and -free reward prediction in dual dopamine system of the basal ganglia (2023)
  • Author(s): YoshizawaT, Miyamura Y, Ochi Y, Hira R, Funahashi M, Sakai Y, Cui Y, Isomura Y
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会（仙台国際センター, 宮城県）
• [Presentation] Integration of Reward Expectation and Action Selection in the Nigrostriatal System (2023)
  • Author(s): RIOS A, NONOMURA S, KATO S, YOSHIDA J, MATSUSHIDA N, NAMBU A, TAKADA M, HIRA R, KOBAYASHI K, SAKAI Y, KIMURA M, ISOMURA Y
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会（仙台国際センター, 宮城県）
• [Presentation] The effects of inhibition of projection neurons from the retrosplenial cortex to the dorsomedial striatum in automatic route-following. (2023)
  • Author(s): Kawatani, M., & Sato, N
  • Organizer: 日本動物心理学会年次大会2023
• [Presentation] Effects of optogenetic suppression of the anterior insular cortex on reward related decision-making with high risk vs low risk. (2023)
  • Author(s): Katsuhara, M., Yoshinaga, Y., Okuda, K., Maeda, H., & Sato, N.
  • Organizer: 日本動物心理学会年次大会2023
• [Presentation] Bystander effect on helping in rats: examination with a soaked paradigm. (2023)
  • Author(s): Sato, N., & Aoki, R.
  • Organizer: 日本動物心理学会年次大会2023
• [Presentation] Postnatal paternal deprivation facilitates learning of the helping behavior in prairie vole. (2023)
  • Author(s): Shinohara, K., Kuriyama, S., & Sato, N.
  • Organizer: 日本動物心理学会年次大会2023
• [Presentation] Reach-to-Grasp and Tactile Discrimination task: A new task for study for sensory-motor learning. (2023)
  • Author(s): Yoshinaga, Y. & Sato, N.
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] Transcriptomic signatures in helper and non-helper rats analyzed by bulk RNA sequencing. (2023)
  • Author(s): Shinohara, K., Kobayashi, K., Horie, T., & Sato, N.
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] Anterograde trans-synaptic visualization of the striatal neurons innervated by dopaminergicneurons in the substantia nigra pars compacta in mice (2023)
  • Author(s): Fuyuki Karube, Yang Yang, Fumino Fujiyama
  • Organizer: Neuroscience 2023 (Annual meeting for the Society for Neuroscience)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 順行性経シナプス性AAVによるドーパミン神経細胞の標的細胞標識の試み (2023)
  • Author(s): 苅部 冬紀、楊 洋、平井 康治、藤山 文乃
  • Organizer: 第128回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Presentation] Exploring the brain regions projecting to the caudal striatum in mice (2023)
  • Author(s): 角野 風子、苅部 冬紀、平井 康治、藤山 文乃
  • Organizer: 第128回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Presentation] Reward prediction and response in the hippocampus and basal ganglia (2022)
  • Author(s): Yoshikazu Isomura
  • Organizer: BSI KIST Seminar Series 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Reward experience differently modifies action- and outcome-related activities along nigrostriatal system (2022)
  • Author(s): Yoshikazu Isomura
  • Organizer: JANUBET Symposium 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 特別講演：行動に結果が伴う大脳皮質-基底核回路 (2022)
  • Author(s): 礒村 宜和
  • Organizer: 第252回生理学東京談話会
  • Invited
• [Presentation] 招待講演：行動と結果をつなぐ大脳の仕組み (2022)
  • Author(s): 礒村 宜和
  • Organizer: 東京理科大学 パラレル脳センシング技術研究部門 第2回公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] マウス尾側線条体ドーパミン受容体偏在領域の投射様式 (2022)
  • Author(s): 苅部 冬紀、緒方 久実子、角野 風子、平井 康治、井上 謙一、高田 昌彦、藤山 文乃
  • Organizer: 日本解剖学会
• [Presentation] ドーパミン受容体D1とD2の発現が偏る尾側線条体の腹側領域は、黒質外側部に投射する (2022)
  • Author(s): 苅部 冬紀、緒方 久実子、角野 風子、平井 康治、高田 昌彦、井上 謙一、藤山 文乃
  • Organizer: Neuro2022
• [Presentation] 行動発現を担う大脳皮質-基底核回路メカニズムを探る (2021)
  • Author(s): 礒村 宜和
  • Organizer: 金沢医科大学 医学研究セミナー
  • Invited
• [Presentation] Learning of sequential responses to multiple manipulanda depending on a location in rats. (2021)
  • Author(s): Sato, N., Ogura, S., & Yoshinaga, Y.
  • Organizer: 日本動物心理学会第81回大会
• [Presentation] Reach-to-Grasp and Tactile Discrimination task: A new task for study of sensory-motor learning. (2021)
  • Author(s): 吉永雄大・佐藤暢哉
  • Organizer: 日本動物心理学会第81回大会
• [Presentation] Prairie voles (Microtus ochrogaster) are impaired in learning of door-opening behavior toward conspecifics in no distress (2021)
  • Author(s): 北野孝太・佐藤暢哉
  • Organizer: 日本動物心理学会第81回大会
• [Presentation] Rats accept an aversive stimulus to help their cagemates. (2021)
  • Author(s): Sato, N., Uchida, A., & Yamagishi, A.
  • Organizer: 32nd International Congress of Psychology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 複雑な迷路内でのナビゲーションにおける脳梁膨大後部皮質の機能の検討． (2021)
  • Author(s): 林朋広・佐藤暢哉
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] 光遺伝学的手法による島皮質前部の神経活動抑制がリスク場面での意思決定に及ぼす影響． (2021)
  • Author(s): 吉永雄大・前田裕武・佐藤暢哉
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Book] Methods in Molecular Biology, vol 2794 (2024)
  • Author(s): Fujiyama F and Karube F
  • Total Pages: 355
  • Publisher: Humana, New York, NY
  • ISBN: 9781071638095
• [Book] 動物心理学入門 (2023)
  • Author(s): 日本動物心理学会、小川 園子、富原 一哉、岡田 隆
  • Total Pages: 156
  • Publisher: 有斐閣
  • ISBN: 4641174881
• [Remarks] Researchmap（礒村宜和）
  • URL: https://researchmap.jp/yoshikazuisomura/
• [Remarks] Researchmap（佐藤暢哉）
  • URL: https://researchmap.jp/nobuyasato/
• [Remarks] Researchmap（苅部冬紀）
  • URL: https://researchmap.jp/karube-fuyuki
• [Remarks] 適応回路センサス領域ホームページ
  • URL: https://ac-census.org/
• [Remarks] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/yoshikazuisomura/