前頭皮質・基底核における時間差情報保持回路の解明

• Project Area: Elucidation of neural computation for prediction and decision making: toward better human understanding and applications
• Project/Area Number: 26120730
• 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: National Institute for Physiological Sciences
• Principal Investigator: 川口 泰雄 生理学研究所, 基盤神経科学研究領域, 教授 (40169694)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2015: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2014: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: 前頭皮質 / 錐体細胞 / 線条体 / 遅延活動 / TD誤差

Outline of Annual Research Achievements

前頭皮質における遅延活動や、線条体でのTD誤差計算に使われる情報を送る可能性がある錐体細胞活動解析とその局所回路モデリングを共同研究で進めた。前頭皮質の緩徐振動は睡眠時やある種の麻酔下でも生じることが知られおり、行動中に一過性に変化したシナプス結合の固定化に関与することが提唱されている。この緩徐振動下での、前頭皮質から線条体へ投射する錐体細胞の発火時系列を解析することは、基底核が時期依存的に特異的な情報を受け取る可能性の検証に役立つと考えた。これまでに前頭皮質第5層線条体投射細胞を逆行性応答で同定して、緩徐振動中の発火時期を解析した。さらに、前頭皮質第5層の視床入力が多いサブレイヤー(5a層)と、少ないサブレイヤー(5b層)に分けて解析を進めた。サブレイヤーの同定には、小胞性グルタミン酸トランスポーター２型の蛍光免疫組織化学を用いた。その結果、線条体へ投射するサブタイプ間で発火順位が異なるだけでなく同じサブタイプであっても、5a層と5b層で発火時系列が異なっていることが分かった。皮質線条体投射時間差仮説（CSTD仮説）では、(1) 基底核内の直接路が次の行動価値を、間接路が現在の行動価値を表現することと、(2) 直接路、間接路がそれぞれ、黒質ドーパミン細胞の活動を亢進、抑圧することが、重要な仮定である。実験的に、直接路が報酬学習を、間接路が忌避学習を促進することが明らかにされている。このモデルを使って、報酬逆転学習と罰回避学習の時間経過をシミュレーションできることが分かった。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Institute of Neuroscience and Medicine(Germany)
• [Int'l Joint Research] South Valley University(Egypt)
• [Journal Article] Functional effects of distinct innervation styles of pyramidal cells by fast spiking cortical interneurons (2015)
  • Author(s): Kubota Y, Kondo S, Nomura M, Hatada S, Yamaguchi N, Mohamed AA, Karube F, Luebke J, Kawaguchi Y
  • Journal Title: eLife Volume: 4
  • DOI: 10.7554/elife.07919
  • NAID: 120005997706
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Computing reward prediction error: an integrated account of cortical timing and basal-ganglia pathways for appetitive and aversive learning (2015)
  • Author(s): Morita K, Kawaguchi Y
  • Journal Title: Eur J Neurosci Volume: 42 Issue: 4 Pages: 2003-2021
  • DOI: 10.1111/ejn.12994
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Temporal structure of neuronal activity among cortical neuron subtypes during slow oscillations in anesthetized rats (2015)
  • Author(s): Ushimaru M, Kawaguchi Y
  • Journal Title: J Neurosci Volume: 35 Issue: 34 Pages: 11988-12001
  • DOI: 10.1523/jneurosci.5074-14.2015
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multiple layer 5 pyramidal cell subtypes relay cortical feedback from secondary to primary motor areas in rats. (2013)
  • Author(s): 植田 禎史
  • Journal Title: Cerebral Cortex Volume: - Issue: 9 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1093/cercor/bht088
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Pyramidal cell diversity and inhibition styles in the frontal cortex (2016)
  • Author(s): Kawaguchi Y, Morishima M
  • Organizer: International Symposium on Adaptive Circuit Shift 2016
  • Place of Presentation: 同志社大学（ 京都府京都市）
  • Year and Date: 2016-03-04
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Plexin A2/A4 - Semaphorin 6A signaling is involved in termination of migration for uppermost layer neurons in the mouse cerebral cortex (2016)
  • Author(s): Hatanaka Y, Kawasaki T, Hirata T, Kawaguchi Y
  • Organizer: International Symposium on Adaptive Circuit Shift 2016
  • Place of Presentation: 同志社大学（ 京都府京都市）
  • Year and Date: 2016-03-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synapses from fast-spiking GABAergic neurons are tuned to specific postsynaptic target domains (2016)
  • Author(s): Kawaguchi Y, Kubota Y
  • Organizer: 新学術領域「 大脳新皮質構築」終了公開国際シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学（ 東京都文京区）
  • Year and Date: 2016-02-12
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] PlexinA2/A4 signaling is necessary for proper termination of migration for uppermost part of layers 2/3 neurons in the mouse cerebral cortex (2016)
  • Author(s): Hatanaka Y, Kawasaki T, Hirata T, Kawaguchi Y
  • Organizer: 新学術領域「 大脳新皮質構築」終了公開国際シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学（ 東京都文京区）
  • Year and Date: 2016-02-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大脳皮質パルブアルブミン細胞の歴史と謎 (2015)
  • Author(s): 川口泰雄
  • Organizer: 生理研研究会「 行動システム脳科学の新展開」
  • Place of Presentation: 生理学研究所（ 愛知県岡崎市）
  • Year and Date: 2015-12-04
• [Presentation] An excitatory and inhibitory synapse density on various nonpyramidal cells in the rat cerebral cortex (2015)
  • Author(s): Kubota Y, Sekigawa A, Hatada S, Kawaguchi Y
  • Organizer: The 2nd East-Asia Microscopy Conference
  • Place of Presentation: The Himeji Chamber of Commerce and Industry (Himeji, Hyogo)
  • Year and Date: 2015-11-25
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Temporal organization of pyramidal neuron output to the striatum (2015)
  • Author(s): Kawaguchi Y
  • Organizer: International Symposium on Prediction and Decision Making 2015
  • Place of Presentation: 東京大学（ 東京都文京区）
  • Year and Date: 2015-10-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Functional effects of distinct innervation styles of pyramidal cells by fast spiking cortical interneurons (2015)
  • Author(s): 20.Kubota Y, Kondo S, Nomura M, Hatada S, Yamaguchi N, Mohamed AA, Karube F, Luebke J, Kawaguchi Y
  • Organizer: 45th annual meeting of the Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: McCormick Place (Chicago, USA)
  • Year and Date: 2015-10-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multi-compartmental models of corticopontine- and crossed corticostriatal neurons of rat frontal cortex (2015)
  • Author(s): Kondo M, Morishima M, Kawaguchi Y, Morita K
  • Organizer: 11th Bernstein Conference 2015
  • Place of Presentation: Neue Universitat (Heidelberg, Germany)
  • Year and Date: 2015-09-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Correlative light and electron microscopy of brain tissue using two-photon microscope and FIB/SEM (2015)
  • Author(s): Kubota Y, Villa KL, Berry KP, Subramanian J, Cha JW, So PT, Nedivi E, Kawaguchi Y
  • Organizer: Microscopy & Microanalysis 2015
  • Place of Presentation: Oregon Convention Center (Portland, USA)
  • Year and Date: 2015-08-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 徐波振動における前頭皮質ニューロンの発火時系列 (2015)
  • Author(s): 牛丸弥香、川口泰雄
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（ 兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-30
• [Presentation] Interaction between two types of pyramidal cells and GABAergic cells in the layer 5 of the frontal cortex (2015)
  • Author(s): 森島美絵子、川口泰雄
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（ 兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-30
• [Presentation] Conserved morphology of dendritic trees in cortical pyramidal cell (2015)
  • Author(s): Mohamed AA, Kubota Y, Kondo S, Yamaguchi N, Hatada S, Nomura M, Younes HA, Tanaka YR, Abdalla KEH, Luebke J, Kawaguchi Y
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（ 兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-29
• [Presentation] 大脳領域間結合と局所回路網の統合的解析 (2015)
  • Author(s): 川口泰雄
  • Organizer: CREST '脳神経回路の形成・動作原理の解明と制御技術の創出' 研究領域 第２回公開シンポジウム '脳神経回路研究の最前線2015'
  • Place of Presentation: JST東京本部別館 (東京都千代田区)
  • Year and Date: 2015-02-21
• [Presentation] Conserved dimensional properties of dendritic trees in cortical pyramidal cell (2014)
  • Author(s): Kubota Y, Mohamed AA, Yamaguchi N, Hatada S, Luebke J, Kawaguchi Y
  • Organizer: 44th annual meeting of the Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: Walter E. Washington Convention Center (Washington DC, USA)
  • Year and Date: 2014-11-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大脳皮質錐体細胞の樹状突起の形態解析 (2014)
  • Author(s): 窪田芳之, Mohamed AA, 根東覚, 野村真樹, 畑田小百合, 山口登, 川口泰雄
  • Organizer: 第10回IIRSセミナー
  • Place of Presentation: 東京大学 (東京都文京区)
  • Year and Date: 2014-11-07
• [Presentation] Cortical membrane oscillatory activities induced by light stimulations (2014)
  • Author(s): Otsuka T, Kawaguchi Y
  • Organizer: 44th annual meeting of the Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: Walter E. Washington Convention Center (Washington DC, USA)
  • Year and Date: 2014-11-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temporal structure of activities in cortical neuron subtypes during slow oscillations (2014)
  • Author(s): Ushimaru M, Kawaguchi Y
  • Organizer: 4th Joint CIN-NIPS Symposium
  • Place of Presentation: University of Tuebingen (Tuebingen, Germany)
  • Year and Date: 2014-10-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Conserved dimensional properties of dendritic trees in cortical pyramidal cell (2014)
  • Author(s): Mohamed AA, Yamaguchi N, Hatada S, Luebke J , Kawaguchi Y, Kubota Y
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜 (神奈川県横浜市)
  • Year and Date: 2014-09-13
• [Presentation] 自発運動時における視床から大脳皮質第１層への入力パターン (2014)
  • Author(s): 田中康代, 田中康裕, 和氣弘明, 正水芳人, 川口泰雄, 松崎政紀
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜 (神奈川県横浜市)
  • Year and Date: 2014-09-13
• [Presentation] 光刺激によって誘発される皮質回路におけるオシレーション活動 (2014)
  • Author(s): 大塚岳, 川口泰雄
  • Organizer: 第37回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜 (神奈川県横浜市)
  • Year and Date: 2014-09-11
• [Presentation] Oscillatory activities evoked by light stimulations in cortical circuits (2014)
  • Author(s): Otsuka T, Kawaguchi Y
  • Organizer: NIPS International Workshop and Satellite Symposium of Neuroscience 2014
  • Place of Presentation: 生理学研究所 (愛知県岡崎市)
  • Year and Date: 2014-09-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Conserved dimensional properties of dendritic trees in cortical pyramidal cell (2014)
  • Author(s): Mohamed AA, Yamaguchi N, Hatada S, Luebke J, Kawaguchi Y, Kubota Y
  • Organizer: NIPS International Workshop and Satellite Symposium of Neuroscience 2014
  • Place of Presentation: 生理学研究所 (愛知県岡崎市)
  • Year and Date: 2014-09-08
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 生理学研究所大脳神経回路論研究部門
  • URL: http://www.nips.ac.jp/circuit/