ラットの神経回路基盤同定による地図記憶参照型ナビゲーションの機能解明

• 研究領域: 生物ナビゲーションのシステム科学
• 研究課題/領域番号: 16H06543
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 同志社大学
• 研究代表者: 高橋 晋 同志社大学, 脳科学研究科, 教授 (20510960)
• 研究分担者: 苅部 冬紀 同志社大学, 研究開発推進機構, 准教授 (60312279)
• 研究期間 (年度): 2016-06-30 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 101,270千円 (直接経費: 77,900千円、間接経費: 23,370千円); 2020年度: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2019年度: 18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円); 2018年度: 18,720千円 (直接経費: 14,400千円、間接経費: 4,320千円); 2017年度: 20,540千円 (直接経費: 15,800千円、間接経費: 4,740千円); 2016年度: 26,260千円 (直接経費: 20,200千円、間接経費: 6,060千円)
• キーワード: 場所細胞 / ナビゲーション / 認知科学 / 神経科学 / 脳・神経

研究成果の概要

本研究では、迷路を構成する通路、センサ、可動壁、給餌器、トレッドミルなどの構成要素を自在に再構成可能な迷路を開発した。また、室内外で脳神経活動を記録可能なロガーシステムを構築した。これらのツールを活用し、げっ歯類におけるナビゲーション理解を進展させるとともに、オオミズナギドリの終脳背内側後部からグリッド細胞を発見した。加えて、サケ科魚類（ニジマス）の終脳から頭方位細胞を発見した。ナビゲーション移動分析法DeepHLの開発に貢献し、運動障害を特定することが可能な特徴的な移動行動が、ある一定時間の最大移動距離に現れることを発見することができた。これらの成果により、ナビゲーション理解を促進した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で開発した再構成可能な迷路や無線神経活動ロガーは、それぞれ独創性を備えた技術である。そのような認知神経科学、情報工学、実験心理学という異なる研究分野に加え、本領域内の共同研究により生態学、制御工学、データ科学分野を、ナビゲーション機能をシステム的に理解するという一つの具体的な目標の実現に向け融合させたという点で、本計画研究は世界的にも例のない極めて独創的な試みと言える。
本研究の成果は、移動障害を行動から検知する見守りシステムや、認知障害発症を予測する早期発見システムの開発に繋がる。更にはカーナビゲーション経路の最適化や、交通渋滞の緩和への応用も期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Wireless logging of extracellular neuronal activity in the telencephalon of free-swimming salmonids (2021)
  • 著者名/発表者名: Susumu Takahashi, Takumi Hombe, Riku Takahashi, Kaoru Ide, Shinichiro Okamoto, Ken Yoda, Takashi Kitagawa and Yuya Makiguchi
  • 雑誌名: Animal Biotelemetry 巻: 9 号: 1 ページ: 9-9
  • DOI: 10.1186/s40317-021-00232-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Deep learning-assisted comparative analysis of animal trajectories with DeepHL (2020)
  • 著者名/発表者名: Takuya Maekawa, Kazuya Ohara, Yizhe Zhang, Matasaburo Fukutomi, Sakiko Matsumoto, Kentarou Matsumura, Hisashi Shidara, Shuhei J. Yamazaki, Ryusuke Fujisawa, Kaoru Ide, Naohisa Nagaya, Koji Yamazaki, Shinsuke Koike, Takahisa Miyatake, Koutarou D. Kimura, Hiroto Ogawa, Susumu Takahashi, and Ken Yoda
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 5316-5316
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19105-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Reconfigurable Maze Provides Flexible, Scalable, Reproducible, and Repeatable Tests (2020)
  • 著者名/発表者名: Hoshino Satoshi、Takahashi Riku、Mieno Kana、Tamatsu Yuta、Azechi Hirotsugu、Ide Kaoru、Takahashi Susumu
  • 雑誌名: iScience 巻: 23 号: 1 ページ: 100787-100787
  • DOI: 10.1016/j.isci.2019.100787
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reinforcement schedules differentially affect learning in neuronal operant conditioning in rats (2020)
  • 著者名/発表者名: Song Kichan、Takahashi Susumu、Sakurai Yoshio
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 153 ページ: 62-67
  • DOI: 10.1016/j.neures.2019.04.003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Motor cortex can directly drive the globus pallidus neurons in a projection neuron type-dependent manner in the rat (2019)
  • 著者名/発表者名: Karube F, Takahashi S, Kobayashi K, Fujiyama F
  • 雑誌名: Elife 巻: 8 ページ: 1-25
  • DOI: 10.7554/elife.49511
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhanced Theta and High-Gamma Coupling during Late Stage of Rule Switching Task in Rat Hippocampus (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakazono Tomoaki、Takahashi Susumu、Sakurai Yoshio
  • 雑誌名: Neuroscience 巻: 412 ページ: 216-232
  • DOI: 10.1016/j.neuroscience.2019.05.053
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Hippocampal Ensemble Code for Spatial Navigation and Episodic Memory (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Susumu
  • 雑誌名: Advances in Neurobiology 巻: 21 ページ: 49-70
  • DOI: 10.1007/978-3-319-94593-4_3
  • ISBN: 9783319945910, 9783319945934
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hippocampal-prefrontal theta phase synchrony in planning of multi-step actions based on memory retrieval (2017)
  • 著者名/発表者名: Ishino, S., Takahashi, S., Ogawa, M. and Sakurai, Y.
  • 雑誌名: European Journal of Neuroscience 巻: 45 号: 10 ページ: 1313-1324
  • DOI: 10.1111/ejn.13547
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 場所記憶の想起によるナビゲーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 髙橋晋，増田明，井出薫
  • 雑誌名: 生物の科学 遺伝 巻: 71 ページ: 539-544
• [雑誌論文] 脳内ナビゲーション・システム―海馬の場所細胞― (2017)
  • 著者名/発表者名: 髙橋晋，井出薫
  • 雑誌名: 日本ロボット学会誌 巻: 35 ページ: 43-47
• [雑誌論文] 脳内ナビゲーション・システム―海馬の場所細胞― (2017)
  • 著者名/発表者名: 髙橋晋、井出薫
  • 雑誌名: 日本ロボット学会誌 巻: 印刷中
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Similarity in neuronal firing regimes across mammalian species (2016)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Mochizuki, ..., Ichiro Fujita, et al.
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience 巻: 36 号: 21 ページ: 5736-5747
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0230-16.2016
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Using a novel PV-Cre rat model to characterize pallidonigral cells and their terminations. (2016)
  • 著者名/発表者名: Oh Y-M, Karube F, Takahashi S, Kobayashi K, Takada M, Uchigashima M, Watanabe M, Nishizawa K, Kobayashi K, *Fujiyama F
  • 雑誌名: Brain Struct Funct 巻: 印刷中 号: 5 ページ: 2359-2378
  • DOI: 10.1007/s00429-016-1346-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 大脳基底核の機能と構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤山文乃、髙橋晋、苅部冬紀
  • 雑誌名: Clinical Neuroscience 巻: 35 ページ: 268-270
• [学会発表] Similarity of the function between time cell and place cell (2020)
  • 著者名/発表者名: 三重野 華菜, 星野 諭, 井出 薫, 髙橋 晋
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会（web開催）
• [学会発表] Deciphering the code in the medial pallium of migratory seabirds (2020)
  • 著者名/発表者名: 髙橋 晋
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会（web開催）
• [学会発表] 歩行する海鳥および遊泳するサケ科魚類の脳における空間ナビゲーションの神経相関 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井出 薫, 本部 拓未, 岡本 慎一郎, 松本 祥子, 依田 憲, 牧口 祐也, 髙橋 晋
  • 学会等名: NEURO2019 （第42回日本神経科学大会、第62回日本神経化学会大会）
• [学会発表] 再構成可能な迷路は記憶学習研究のための繰り返し精度の高い再現性を有するテストを提供する (2019)
  • 著者名/発表者名: 髙橋 晋, 星野 諭, 井出 薫
  • 学会等名: NEURO2019 （第42回日本神経科学大会、第62回日本神経化学会大会）
• [学会発表] マウス用に開発された再構成可能な迷路における移動軌跡の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高橋 陸, 玉津 裕太, 井出 薫, 髙橋 晋
  • 学会等名: NEURO2019 （第42回日本神経科学大会、第62回日本神経化学会大会）
• [学会発表] 同一実験室内における様々な迷路上での場所細胞の神経活動 (2019)
  • 著者名/発表者名: 三重野 華菜, 星野 諭, 井出 薫, 髙橋 晋
  • 学会等名: 第97回 日本生理学会大会
• [学会発表] Patterned silencing of parvalbumin neurons in rodent visual cortex (2019)
  • 著者名/発表者名: 増田明、高橋晋
  • 学会等名: APCV2019, Osaka
  • 国際学会
• [学会発表] Cell-type specific cortical stimulations by red-shift light with lens optics (2019)
  • 著者名/発表者名: 増田明、高橋晋
  • 学会等名: The Eye and Chip 2019, Michigan
  • 国際学会
• [学会発表] Visual restoration based on optogenetic silencing of parvalbumin neurons in visual cortex (2019)
  • 著者名/発表者名: 増田明、高橋晋
  • 学会等名: CiNet Conference: Brain-Machine Interface, Osaka
  • 国際学会
• [学会発表] 空間ナビゲーションに関する海馬の場所細胞研究とその未来 (2019)
  • 著者名/発表者名: 髙橋 晋
  • 学会等名: 第66回日本生態学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] The Next Phase for Tracking and Predicting the Navigational Behavior Using Machine Learning (2019)
  • 著者名/発表者名: 髙橋 晋、星野 諭、井出 薫
  • 学会等名: International Workshop on Behavior analysis and Recognition for knowledge Discovery (BiRD 2019)in conjunction with the IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications
  • 国際学会
• [学会発表] 空間ナビゲーションのための再構成迷路システム (2018)
  • 著者名/発表者名: 星野 諭、井出 薫、髙橋 晋
  • 学会等名: 第62回システム制御情報学会研究発表講演会 (SCI’18)
• [学会発表] 行動中マウスの運動皮質におけるパルブアルブミン発現インターニューロンの発火操作 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井出 薫、小林 憲太、苅部 冬紀、藤山 文乃、髙橋 晋
  • 学会等名: 第41回日本神経科学大会
• [学会発表] 多種の迷路を構成可能な小動物用の新規迷路システムの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 星野 諭、井出 薫、髙橋 晋
  • 学会等名: 第41回日本神経科学大会
• [学会発表] 自由行動中の海鳥脳からの神経活動記録 (2018)
  • 著者名/発表者名: 髙橋 晋、松本 祥子、井出 薫、依田 憲
  • 学会等名: 第41回日本神経科学大会
• [学会発表] Precisely patterned optogenetic stimulation with mini-LED array and lens optics in rodent visual cortex (2018)
  • 著者名/発表者名: Akira Masuda, Susumu Takahashi
  • 学会等名: Brain Stimulation
  • 国際学会
• [学会発表] Optogenetic intervention to parvalbumin-expressing interneurons in the motor cortex of behaving mice (2018)
  • 著者名/発表者名: 井出 薫、小林 憲太、苅部 冬紀、尾原 和也、前川 卓也、藤山 文乃、髙橋 晋
  • 学会等名: International Symposium on Systems Science of Bio-Navigation 2018
  • 国際学会
• [学会発表] The reconfigurable maze enables various tests to study neural mechanisms of spatial navigation (2018)
  • 著者名/発表者名: 星野 諭、井出 薫、髙橋 晋
  • 学会等名: International Symposium on Systems Science of Bio-Navigation 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Neural activity in the brain of rats, seabirds and salmonid fish during spatial navigation (2018)
  • 著者名/発表者名: Susumu Takahashi
  • 学会等名: International Symposium on Systems Science of Bio-Navigation 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of the Reconfigurable maze-various shapes of maze in a single environment (2018)
  • 著者名/発表者名: 星野 諭、井出 薫、髙橋 晋
  • 学会等名: Society for Neuroscience 2018 meetings(SfN2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 再構成迷路の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 星野諭、井出薫、高橋晋
  • 学会等名: 第95回日本生理学会大会
• [学会発表] Memory of places in rats (2017)
  • 著者名/発表者名: Takahashi, S.
  • 学会等名: IEEE ICMA 2017 Conference, Tutorial Workshops on Systems Science of Bio-navigation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Place sequence recognition and processing in the hippocampal place cell activity (2017)
  • 著者名/発表者名: Takahashi, S.
  • 学会等名: 第40回日本神経科学大会（幕張）
• [学会発表] sing a novel PV-cre rat model to characterize pallidonigral cells and terminations (2017)
  • 著者名/発表者名: 呉 胤美, 苅部 冬紀, 高橋晋, 小林 憲太, 高田 昌彦, 小林 和人, 藤山 文乃
  • 学会等名: 第122回 日本解剖学会 総会・全国学術集会
  • 発表場所: 長崎大学（長崎県長崎市）
• [学会発表] パーキンソン病モデルマウスの一次運動野における光遺伝学を活用した神経細胞活動の操作 (2016)
  • 著者名/発表者名: 高橋晋, 小林 憲太, 苅部 冬紀, 藤山 文乃
  • 学会等名: 第39回日本神経科学大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
• [学会発表] 淡蒼球外節から黒質緻密部ドーパミンニューロンへの抑制性入力を解明する (2016)
  • 著者名/発表者名: 呉 胤美, 苅部 冬紀, 高橋晋, 小林 憲太, 高田 昌彦, 小林 和人, 藤山 文乃
  • 学会等名: 第39回日本神経科学大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
• [学会発表] 報酬確率学習課題中の海馬における神経表象 (2016)
  • 著者名/発表者名: 高橋 裕美, 廣川 純也, 高橋晋, 櫻井 芳雄
  • 学会等名: 第39回日本神経科学大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
• [学会発表] マウス淡蒼球外節におけるNeurokinin-1受容体陽性細胞の形態学的・電気生理学的性質を解明する (2016)
  • 著者名/発表者名: 水谷 和子, 苅部 冬紀, 高橋晋, 小林 憲太, 藤山 文乃
  • 学会等名: 第39回日本神経科学大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
• [学会発表] ラットの海馬・前頭前野における再学習中の神経機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 町野友理, 高橋晋, 櫻井芳雄
  • 学会等名: 第39回日本神経科学大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
• [学会発表] ラット皮質における随意的発火調節のニューロン集団間での転移 (2016)
  • 著者名/発表者名: 宋 基燦, 高橋晋, 櫻井芳雄
  • 学会等名: 第39回日本神経科学大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
• [学会発表] Learning stages in a rule switching task affects theta-gamma couplings in rat hippocampus (2016)
  • 著者名/発表者名: Nakazono, T., Takahashi, S., Sakurai, Y.
  • 学会等名: Society for Neuroscience meeting
  • 発表場所: SanDiego, USA
  • 国際学会
• [学会発表] Volitional modulation of neuronal activities among multiple neuron groups via neuronal operant conditioning (2016)
  • 著者名/発表者名: Song, K., Takahashi, S., Sakurai, Y.
  • 学会等名: Society for Neuroscience meeting
  • 発表場所: SanDiego, USA
  • 国際学会
• [学会発表] Hippocampal-prefrontal interaction during original task learning and relearning (2016)
  • 著者名/発表者名: Machino, Y., Takahashi, S., Sakurai, Y.
  • 学会等名: Society for Neuroscience meeting
  • 発表場所: SanDiego, USA
  • 国際学会
• [産業財産権] 小動物実験用迷路組立キット (2017)
  • 発明者名: 髙橋晋
  • 権利者名: 髙橋晋
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2017-252076
  • 出願年月日: 2017