霊長類の前頭前野を巡る「行動選択」神経ネットワークの構築様式

• Project Area: Correspondence and Fusion of Artificial Intelligence and Brain Science
• Project/Area Number: 19H04984
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 井上 謙一 京都大学, 霊長類研究所, 助教 (90455395)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2020: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2019: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
• Keywords: 神経科学 / 脳・神経 / 人工知能 / ウイルスベクター / 解剖学

Outline of Research at the Start

独自に開発したウイルスベクターを用いた逆行性越シナプス的多重トレーシング法と、同法に順行性トレーシングを併用する入出力解析法などの先端的回路解析法により、前頭前野が皮質下領域や小脳と形成する行動選択ネットワークの構築様式を明らかにする。具体的には、上記解析法により前頭前野の各領野が皮質下領域や小脳と形成するループ状の回路間における相違と重複のパターンを解析する。また、機械学習を利用して多重ラベル解析を自動化する手法や、多重ラベルデータを標準化する手法などを領域内連携により開発し、全ての脳領域のラベルを短時間で解析し、汎用的な形で保管するための解析パイプラインを確立することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、独自に開発したウイルスベクターを用いた逆行性越シナプス的多重トレーシング法と、同法に順行性トレーシングを併用する入出力解析法などの先端的回路解析法により、前頭前野が皮質下領域や小脳と形成するネットワークの構築様式を明らかにするための研究を行なった。今年度は、これまで開発してきた、複数の異なる蛍光タンパク質をそれぞれ発現する高発現型狂犬病ウイルス（RV）ベクターを、前頭極および前部帯状皮質へ注入し、昨年度注入を行ったサンプルと共に、二次・三次ニューロンとしてラベルされる大脳基底核や小脳のニューロンの分布を解析した。その結果、線条体、淡蒼球外節、視床下核で多重ラベルされるニューロンの分布パターンが異なることが明らかとなり、ハイパー直接路、直接路、間接路の情報処理様式の違いを反映していると考えられた（原著論文投稿準備中）。また、2種類の異なる蛍光タンパク質をそれぞれ発現する感染伝播速度低下型・高発現型狂犬病ウイルス（RV）ベクターと、超高発現型アデノ随伴ウイルス（AAV）ベクターの同時２領域注入による、皮質―基底核ループにおける線条体と入出力解析法の開発では、同時注入により超高発現型AAVベクターの発現が減弱することが確認されたため、これを克服するための開発を行い、より感染伝播速度が遅い感染伝播速度低下型RVベクターの開発と、超高発現型AAVベクターの発現速度を向上する注入法の確立に成功した。本研究ではさらに、機械学習を利用して切片画像から自動でラベルデータを生成する手法の開発に取り込み、高い精度のラベルデータを生成するアルゴリズムを開発することに成功した。現在原著論文として投稿するための解析を進めている。また、これと並行して薄切前脳のex vivo MRI構造画像や薄切中の断面画像を利用して、３次元多重ラベルデータを作製する解析パイプラインの構築を行っている。

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

• [Journal Article] Nonhuman primate optogenetics: current status and future prospects. (2021)
  • Author(s): Inoue K; Matsumoto M; Takada M
  • Journal Title: Adv Exp Med Biol Volume: 1293 Pages: 345-358
  • DOI: 10.1007/978-981-15-8763-4_22
  • ISBN: 9789811587627, 9789811587634
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] MacaquePose: a novel ‘in the wild’ macaque monkey pose dataset for markerless motion capture. (2021)
  • Author(s): Labuguen RT, Matsumoto J, Negrete SB, Nishimaru H, Nishijo H, Takada M, Go Y, Inoue K, Shibata T
  • Journal Title: Front Behav Neurosci Volume: 14 Pages: 581154-581154
  • DOI: 10.3389/fnbeh.2020.581154
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of optogenetic suppression of cortical input on primate thalamic neuronal activity during goal-directed behavior. (2021)
  • Author(s): Suzuki T W, Inoue K, Takada M, Tanaka M
  • Journal Title: eNeuro Volume: 8 Issue: 2 Pages: ENEURO.0511-20.2021
  • DOI: 10.1523/eneuro.0511-20.2021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optogenetic manipulation of a value-coding pathway from the primate caudate tail facilitates saccadic gaze shift. (2020)
  • Author(s): Amita H; Kim H; Inoue K; Takada M; Hikosaka O
  • Journal Title: Nat Commun Volume: 11 Issue: 1 Pages: 1876-1876
  • DOI: 10.1038/s41467-020-15802-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Primate amygdalo-nigral pathway for boosting oculomotor action in motivating situations. (2020)
  • Author(s): Maeda K, Inoue K, Kunimatsu J, Takada M, Hikosaka O
  • Journal Title: iScience Volume: 23 Issue: 6 Pages: 101194-101194
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101194
  • NAID: 120007163351
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] New Cerebello-Cortical Pathway Involved in Higher-Order Oculomotor Control (2019)
  • Author(s): Lu X; Inoue KI; Ohmae S; Uchida Y
  • Journal Title: Cerebellum Volume: - Issue: 3 Pages: 401-408
  • DOI: 10.1007/s12311-020-01108-8
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deschloroclozapine: a potent and selective chemogenetic actuator enables rapid neuronal and behavioral modulations in mice and monkeys (2019)
  • Author(s): Nagai Y, Miyakawa N, et al.
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: 1157-1167
  • DOI: 10.1101/854513
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification of neuron-type specific promoters in monkey genome and their functional validation in mice. (2019)
  • Author(s): Nagai Y; Nishitani N; Yasuda M; Ueda Y; Fukui Y; Andoh C; Shirakawa H; Nakagawa T; Inoue K; Nagayasu K; Kasparov S; Nakamura K; Kaneko S
  • Journal Title: Biochem Biophys Res Commun. Volume: 518 Issue: 4 Pages: 619-624
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2019.08.101
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optogenetic recruitment of spinal reflex pathways from large‐diameter primary afferents in non‐transgenic rats transduced with AAV9/Channelrhodopsin 2 (2019)
  • Author(s): Kubota Shinji、Sidikejiang Wupuer、Kudo Moeko、Inoue Ken‐ichi、Umeda Tatsuya、Takada Masahiko、Seki Kazuhiko
  • Journal Title: The Journal of Physiology Volume: 597 Issue: 19 Pages: 5025-5040
  • DOI: 10.1113/jp278292
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Layer specificity of inputs from supplementary motor area and dorsal premotor cortex to primary motor cortex in macaque monkeys. (2019)
  • Author(s): Ninomiya T; Inoue K; Hoshi E; Takada M
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 9 Issue: 1 Pages: 18230-18230
  • DOI: 10.1038/s41598-019-54220-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Multiple Monkey Pose Estimation Using OpenPose (2021)
  • Author(s): Negrete SB; Labuguen R; Matsumoto J; Go Y; Inoue K; Shibata T
  • Organizer: 25th INternational Conference on Pattern recognition (IPCR 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 価値にもとづく眼球運動を制御する霊長類大脳基底核回路 (2020)
  • Author(s): 網田 英敏; Hyoung F Kim; 井上 謙一; 高田 昌彦; 彦坂 興秀
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] マカカ属サルにおける上丘から扁桃体への多シナプス性経路 (2020)
  • Author(s): 稲垣 未来男; 井上 謙一; 田辺 創思; 木村 慧; 高田 昌彦; 藤田 一郎
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] 改変AAVベクターを用いた新生児霊長類への全脳的遺伝子導入 (2020)
  • Author(s): 井上 謙一; 田辺 創思; 吉田 哲; 藤原 真紀; 木村 慧; 上野 瑠惟; 高田 裕生; 木村 活生; 兼子 峰明; 篠本 有里; 中野 真由子; 田中 江美子; 今度 ゆりこ; 角谷 絵里; 岡野 栄之; 高田 昌彦
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] マカク一次視覚野における微小内視鏡を用いたカルシウムイメージング (2020)
  • Author(s): 小口-田中 峰樹; 将 嘉森; 吉岡 敏秀; 田中 康裕; 井上 謙一; 高田 昌彦; 菊水 健史; 野元 謙作; 坂上 雅道
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] DREADDを用いた経路選択的阻害法による、サル前頭前野と視床MD核及び線条体を結ぶ神経経路のワーキングメモリにおける役割の解明 (2020)
  • Author(s): 小山 佳; 堀 由紀子; 永井 裕司; 宮川 尚久; 三村 喬生; 平林 敏行; 井上 謙一; 高田 昌彦; 樋口 真人; 南本 敬史
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] マカクザル内側前頭皮質の側坐核及び扁桃体への投射様式の違いによる領域区分 (2020)
  • Author(s): 吉野 倫太郎; 木村 慧; 田辺 創思; 大原 慎也; 中村 晋也; 井上 謙一; 高田 昌彦
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] 扁桃体が腹側視覚皮質における社会・情動性の視覚情報表現に果たす役割 ～化学遺伝学神経操作によるアプローチ (2020)
  • Author(s): 宮川 尚久; 永井 裕司; 堀 由紀子; 松尾 健; 鈴木 隆文; 井上 謙一; 小山 桂; 平林 敏行; 高田 昌彦; 須原 哲也; 樋口 真人; 川嵜 佳祐; 南本 敬史
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] Pathway-selective activity manipulation in the primate brain by means of modified viral vectors (2020)
  • Author(s): Inoue K
  • Organizer: 7th ESI Systems Neuroscience Conference 2020 (ESI SyNC 2020)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 街上毒狂犬病ウイルスの脳内侵入経路に関する実験病理学的研究 (2020)
  • Author(s): 河合 せりな; 志和 希; 君付 和範; 山田 健太郎; 井上 謙一; 井上 智; 朴 天鎬
  • Organizer: 第163回日本獣医学会学術集会
• [Presentation] Neuronal and behavioural modulations by pathway-selective optogenetic stimulation of the primate oculomotor system (2019)
  • Author(s): Inoue K
  • Organizer: The Kyoto Symposium on the Eye and Head Movement Control Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Macaque ventral midbrain facilitates the output to forelimb muscles via the primary motor cortex (2019)
  • Author(s): Suzuki M; Inoue K; Nakagawa H; Isa T; Takada M; Nishimura Y
  • Organizer: 29th Annual Meeting of Neural Control of Mevement
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Primate Markerless Pose Estimation and Movement Analysis Using DeepLabCut (2019)
  • Author(s): Labuguen R; Bardeloza DK; Blanco SN; Matsumoto J; Inoue K; Shibata T
  • Organizer: Joint 2019 8th International Conference on Informatics; Electronics & Vision (ICIEV) & 3rd International Conference on Imaging; Vision & Pattern Recognition (IVPR)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A novel ligand “deschloroclozapine” selectively visualizes and activates chemogenetic receptors in non-human primates (2019)
  • Author(s): Nagai Y; Miyakawa N; Takuwa H; Hori H; Oyama K; Ji B; Takahashi M; Haung XP; Slocum ST; Xiong Y; Hirabayashi T; Fujimoto A; Mimura K; English JG; Liu J; Inoue K; Kumata K; Seki C; Ono M; Shimojo M; Zhang MR; Tomita Y; Suhara T; Takada M; Higuchi M; Jin J; Roth BL; Minamimoto T
  • Organizer: Brain and BrainPET 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Combined use of intrinsic optical imaging and 2-photon Ca2+ imaging for determining distribution of stimulus-specific responses across macro-architecture in macaque visual cortex (2019)
  • Author(s): Fang Y; Hatanaka G; Inagaki M; Takeuchi RF; Inoue K; Takada M; Fujita I
  • Organizer: 15th Asia-Pacific Conference on Vision
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Manipulation of primate neural networks by means of modified viral vectors (2019)
  • Author(s): Inoue K
  • Organizer: Molecular Genetic Tools for the Study of Neural Circuits summer school
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fast subcortical processing of emotional faces: evidence from physiology and anatomy in macaque monkeys (2019)
  • Author(s): Inagaki M; Inoue K; Takada M; Fujita I
  • Organizer: 42nd edition of the European Conference on Visual Perception (ECVP 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Combined application of multiscale calcium imaging with GCaMP6s and intrinsic signal optical imaging in macaque visual cortex (2019)
  • Author(s): Hatanaka G; Fang Y; Inagaki M; Takeuchi R; Inoue K; Takada M; Fujita I
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会
• [Presentation] DRG cells in Common marmoset: their contrasting property in the cell size and cell type specificity of gene delivery by AAVs (2019)
  • Author(s): Kudo M; Wupuer S; Inoue K; Takada M; Seki K
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会
• [Presentation] Chemogenetic activation of the amygdala specifically disrupts the representation of socio-emotional information in the macaque ventral visual cortex (2019)
  • Author(s): Miyakawa N; Nagai Y; Hori Y; Matsuo T; Suzuki T; Inoue K; Takada M; Suhara T; Kawasaki K; Minamimoto T
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会
• [Presentation] DREADD inactivation of orbitofrontal cortex revealed its critical role in reward-based adaptive decision making in monkeys (2019)
  • Author(s): Oyama K; Hori Y; Nagai Y; Hirabayashi T; Miyakawa N; Fujimoto A; Mimura K; Inoue K; Eldridge A M; Saunders C R; Suhara T; Takada M; Higuchi M; Richmond J B; Minamimoto T
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会
• [Presentation] 霊長類における光遺伝学を利用した神経回路操作 (2019)
  • Author(s): 井上 謙一
  • Organizer: 日本動物学会第90回大阪大会
  • Invited
• [Presentation] Pathway-selective optogenetic modulation of amygdala-basal ganglia circuits in macaque monkeys (2019)
  • Author(s): Maeda K; Inoue K; Takada M; Hikosaka O
  • Organizer: Neuroscience 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Retrograde gene transfer efficiency and inflammatory response of two types of lentiviral vectors in the motor cortex input system of nonhuman primates and rodents (2019)
  • Author(s): Otsuka Y; Tsuge H; Uesono S; Tanabe S; Fujiwara M; Miwa M; Kato S; Nakamura K; Kobayashi K; Inoue K; Takada M
  • Organizer: Neuroscience 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The modified adeno associated virus vectors enable neuron specific efficient gene transduction in the primate brain (2019)
  • Author(s): Kimura K; Nagai Y; Tanabe S; Zheng A; Fujiwara M; Nakano M; Minamimoto T; Inoue K; Takada M
  • Organizer: Neuroscience 2019
  • Int'l Joint Research
• [Book] 実験医学別冊; 「決定版 ウイルスベクターによる遺伝子導入実験ガイド」 (2020)
  • Author(s): 井上謙一、高田昌彦
  • Total Pages: 281
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758122474
• [Remarks] 京都大学霊長類研究所 統合脳システム分野 ホームページ
  • URL: http://www.pri.kyoto-u.ac.jp/sections/systems_neuroscience/index.html