大脳皮質運動野における運動学習回路の階層的研究

• 研究課題/領域番号: 15H02350
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 神経生理学・神経科学一般
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 松崎 政紀 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (50353438)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 42,380千円 (直接経費: 32,600千円、間接経費: 9,780千円); 2018年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円); 2017年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円); 2016年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円); 2015年度: 9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円)
• キーワード: ２光子顕微鏡 / カルシウムイメージング / 運動学習 / 大脳皮質運動野 / 大脳基底核 / 小脳 / 視床 / 軸索 / 運動野 / 2光子イメージング / 光遺伝学 / ２光子イメージング / 神経科学

研究成果の概要

２光子カルシウムイメージング法を用いてマウス大脳皮質運動野に投射する視床皮質軸索のシナプス前部の神経活動を計測することで、前肢レバー引き運動課題を学習する際、視床から運動野へ送られるシグナルが２種類あり、互いに異なる時間変化（ダイナミクス）を示すことを明らかにした。これら２種類のシグナルは「運動課題の成功率」あるいは「運動の安定性」と、それぞれ関連していた。また、シグナルは大脳皮質のどの層に入力するかによってダイナミクスが異なり、それぞれが大脳基底核あるいは小脳に強い影響を受けることがわかった。その一方で、どちらのシグナルを作り出すにも大脳基底核と小脳の両方の活動が必要であることも見出された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究成果は、脳全体の理解に不可欠な脳領域間ネットワークの視点から運動学習や運動制御のメカニズムの一端を明らかにしたという点で非常に重要であり、パーキンソン病やジストニアなどの運動失調・運動障害疾患の病態理解に将来的に貢献することが期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Super-wide-field two-photon imaging with a micro-optical device moving in post-objective space (2018)
  • 著者名/発表者名: Terada SI, Kobayashi K, Ohkura M, Nakai J, Matsuzaki M
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 9 号: 1 ページ: 3550-3550
  • DOI: 10.1038/s41467-018-06058-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Thalamocortical Axonal Activity in Motor Cortex Exhibits Layer-Specific Dynamics during Motor Learning (2018)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Yasuyo H.、Tanaka Yasuhiro R.、Kondo Masashi、Terada Shin-Ichiro、Kawaguchi Yasuo、Matsuzaki Masanori
  • 雑誌名: Neuron 巻: 100 号: 1 ページ: 244-258
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2018.08.016
  • NAID: 40021939701
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In vivo wide-field calcium imaging of mouse thalamocortical synapses with an 8?K ultra-high-definition camera (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Eriko、Terada Shin-Ichiro、Tanaka Yasuyo H.、Kobayashi Kenta、Ohkura Masamichi、Nakai Junichi、Matsuzaki Masanori
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 8324-8324
  • DOI: 10.1038/s41598-018-26566-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Two-photon imaging of neuronal activity in motor cortex of marmosets during upper-limb movement tasks (2018)
  • 著者名/発表者名: Ebina T, Masamizu Y, Tanaka YR, Watakabe A, Hirakawa R, Hirayama Y, Hira R, Terada S, Koketsu D, Hikosaka K, Mizukami H, Nambu A, Sasaki E, Yamamori Y, Matsuzaki M
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 9 号: 1 ページ: 1879-1879
  • DOI: 10.1038/s41467-018-04286-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Two-photon calcium imaging of the medial prefrontal cortex and hippocampus without cortical invasion. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kondo M, Kobayashi K, Ohkura M, Nakai J, Matsuzaki M
  • 雑誌名: eLife 巻: 6:e26839 ページ: 1-20
  • DOI: 10.7554/elife.26839
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Distinct functional modules for discrete and rhythmic forelimb movements in the mouse motor cortex. (2015)
  • 著者名/発表者名: Hira R., Terada S., Kondo M., Matsuzaki M.
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience 巻: 35 号: 39 ページ: 13311-13322
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2731-15.2015
  • 査読あり
• [雑誌論文] Long-term two-photon calcium imaging of neuronal populations with subcellular resolution in adult non-human primates. (2015)
  • 著者名/発表者名: Sadakane O., Masamizu Y., Watakabe A., Terada S., Ohtsuka M., Takaji M., Mizukami H., Ozawa K., Kawasaki H., Matsuzaki M., Yamamori T.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 13 号: 9 ページ: 1989-1999
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2015.10.050
  • NAID: 120005829368
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Wide-field imaging of neural activity with high spatial resolution. (2019)
  • 著者名/発表者名: 松崎政紀
  • 学会等名: FAOPS2019
  • 国際学会
• [学会発表] マウス前頭皮質の深部・広域２光子イメージング (2018)
  • 著者名/発表者名: 松崎政紀
  • 学会等名: 第41回日本神経科学大会
• [学会発表] マーモセット上肢運動課題実行中の ２光子イメージングに向けて (2018)
  • 著者名/発表者名: 松崎政紀
  • 学会等名: 7th Annual Meeting of Japan Society for Marmoset Research
• [学会発表] Dynamics of thalamocortical activity in the primary motor cortex during motor learning (2017)
  • 著者名/発表者名: 松崎政紀
  • 学会等名: 第４０回日本神経科学大会
• [学会発表] Wide, deep, multi-color, subcellular-resolution imaging from any angle (2017)
  • 著者名/発表者名: 松崎政紀
  • 学会等名: 第４０回日本神経科学大会
  • 招待講演
• [学会発表] 行動課題実行中の小動物における大脳神経 細胞活動の広域深部２光子イメージング (2017)
  • 著者名/発表者名: 松崎政紀
  • 学会等名: 第44回日本神経内分泌学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] Marmoset forelimb-movement tasks for two-photon Ca2+ imaging (2017)
  • 著者名/発表者名: 松崎政紀
  • 学会等名: 7th NIPS/CIN Joint Symposium
• [学会発表] 覚醒小動物での大脳イメージングと光操作 (2016)
  • 著者名/発表者名: 松崎政紀
  • 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）
  • 年月日: 2016-07-22
  • 招待講演
• [学会発表] 大脳皮質運動野の神経活動の大規模光計測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 松崎政紀
  • 学会等名: 第９３回日本生理学会大会2016年03月24日
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）
  • 年月日: 2016-03-24
• [学会発表] Distinct thalamocortical activities in the primary motor cortex during voluntary movements (2016)
  • 著者名/発表者名: Masanori Matsuzaki
  • 学会等名: 新学術領域「適応回路シフト」国際シンポジウム
  • 発表場所: 同志社大学室町キャンパス 寒梅館 ハーディーホール（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-03-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dynamic representation of innate and learned movements in the motor cortex (2015)
  • 著者名/発表者名: Masanori Matsuzaki
  • 学会等名: 第7回光操作研究会 国際シンポジウム
  • 発表場所: 東京医科歯科大学 鈴木章夫記念講堂（東京都文京区）
  • 年月日: 2015-12-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] マーモセット脳の2光子イメージングと 光刺激に向けて (2015)
  • 著者名/発表者名: 松崎政紀
  • 学会等名: 第３８回日本神経科学大会
  • 発表場所: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2015-07-31
• [学会発表] 運動学習と神経オペラント条件付けにおける大脳運動野活動のダイナミクス (2015)
  • 著者名/発表者名: 松崎政紀
  • 学会等名: 第５４回日本生体医工学会大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2015-05-07
  • 招待講演
• [備考]
  • URL: http://plaza.umin.ac.jp/~Matsuzaki-Lab/pub/index.html
• [産業財産権] 顕微鏡用光学モジュール、顕微鏡、顕微鏡用光学モジュール制御装置及び多光子励起顕微鏡 (2016)
  • 発明者名: 松崎政紀、寺田晋一郎
  • 権利者名: 松崎政紀、寺田晋一郎
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2016-07-28
  • 外国
• [産業財産権] 顕微鏡用光学モジュール、顕微鏡、顕微鏡用光学モジュール制御装置及び多光子励起顕微鏡 (2015)
  • 発明者名: 松崎政紀、寺田晋一郎
  • 権利者名: 松崎政紀、寺田晋一郎
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2015-09-17