報酬場所記憶に関わる場所細胞の形成メカニズムと機能的役割の解明

• 研究課題/領域番号: 19K16293
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分46030:神経機能学関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 水田 恒太郎 京都大学, 医学研究科, 助教 (60632891)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2020年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2019年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 報酬 / 記憶 / バーチャルリアリティ / 二光子イメージング / 場所細胞 / 海馬 / バーチャルリアリティー / in vivoイメージング / 記憶・学習

研究開始時の研究の概要

動物がある空間を探索するとき、空間上の重要な場所がどのように表現され、記憶として保持されるかはわかっていない。申請者は、報酬周辺には場所特異的な活動を示す場所細胞が集積すること（報酬場所細胞）を見出し、通常の場所細胞は数日単位で場所特異性が変化していくのに対し、報酬場所細胞は、毎日同じ場所で安定して発火し続け、新たな形質を持つ細胞群であることがわかった。そこで、本研究では、報酬場所細胞が既存の場所細胞からどのように形成されるか、報酬そのものを認識しているのか、あるいは場所との組み合わせが重要なのか、さらに記憶の痕跡に関連するのか、その形成に報酬系が如何に関係しているかを解明していく。

研究成果の概要

海馬において報酬周辺の場所細胞（報酬場所細胞）は他の場所より数が多く安定した性質を示す。報酬場所細胞の機能的役割と形成機構を明らかにするため、複数の仮想現実直線路課題を探索中のマウスの海馬神経活動を二光子顕微鏡で観察した。報酬の場所を特定できないよう毎回変更すると、報酬場所細胞の過剰表現は観察されなかった。報酬場所で2秒間止まると報酬が得られる遅延課題では報酬場所細胞の一部は静止中に活動した。従って報酬場所細胞は予測した報酬か報酬場所認識に関連した細胞であった。報酬場所の再配置では、新規学習と異なり、既存の認知地図から再編成されることで、報酬場所細胞が迅速に形成されることが明らかになった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

探索経路の記憶には静止時に場所細胞群が高速で発火するreplay現象が関与するが、探索経路で報酬のような重要な目的地が場所細胞やその他の細胞によってどのように表現され記憶されるかわかっていなかった。本研究で明らかになった報酬の周辺の場所細胞や報酬事象を示す細胞の特性、それらの活動およびダイナミクスなどの知見は、行動に関連する海馬の神経回路ダイナミクスやシナプス可塑性、および、アルツハイマー病のような記憶研究に関わる病態モデル、人工知能研究などの多くの研究分野に大きなインパクトをもたらすことが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
• [国際共同研究] カハール研究所(スペイン)
• [雑誌論文] Multiple coordinated cellular dynamics mediate CA1 map plasticity (2021)
  • 著者名/発表者名: Mizuta Kotaro、Nakai Junichi、Hayashi Yasunori、Sato Masaaki
  • 雑誌名: Hippocampus 巻: 31 号: 3 ページ: 235-243
  • DOI: 10.1002/hipo.23300
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Two functionally distinct serotonergic projections into hippocampus (2020)
  • 著者名/発表者名: Luchetti Alessandro、Bota Ayaka、Weitemier Adam、Mizuta Kotaro、Sato Masaaki、Islam Tanvir、McHugh Thomas J.、Tashiro Ayumu、Hayashi Yasunori
  • 雑誌名: The Journal of Neuroscience 巻: - 号: 25 ページ: 4936-4944
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2724-19.2020
  • NAID: 120006893992
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Distinct Mechanisms of Over-Representation of Landmarks and Rewards in the Hippocampus (2020)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Sato, Kotaro Mizuta, Tanvir Islam, Masako Kawano, Yukiko Sekine, Takashi Takekawa, Daniel Gomez-Dominguez, Alexander Schmidt, Fred Wolf, Karam Kim, Hiroshi Yamakawa, Masamichi Ohkura, Min Goo Lee, Tomoki Fukai, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 32 号: 1 ページ: 107864-107864
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107864
  • NAID: 120006867158
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Amyloid-β-Dependent Neuronal Circuit Rearrangement in Presymptomatic Alzheimer’s Disease (2019)
  • 著者名/発表者名: Mizuta Kotaro、Saneyoshi Takeo
  • 雑誌名: Biological Psychiatry 巻: 86 号: 3 ページ: 167-168
  • DOI: 10.1016/j.biopsych.2019.06.002
  • 査読あり
• [学会発表] Nonspatiotemporal-encoding hyperactivity is elevated in the hippocampal CA1 region of Alzheimer’s disease model mice (2020)
  • 著者名/発表者名: Risa Takamura, Kotaro Mizuta, Yukiko Sekine, Tanvir Islam, Takashi Saito, Takashi Takekawa, Masamichi Ohkura, Tomoki Fukai, Junichi Nakai, Toshio Ohshima, Takaomi Saido, Yasunori Hayashi
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
• [学会発表] Distinct projection of anterior cingulate cortex layer 2/3 and 5 neurons (2020)
  • 著者名/発表者名: 李耀龍、水田恒太郎、林康紀
  • 学会等名: 第98回日本生理学会大会
• [学会発表] 海馬CA1における空間と事象表現の同期活動 (2020)
  • 著者名/発表者名: 水田恒太郎、佐藤正晃、関根友紀子、河野真子、イスラムタンビル、李耀龍、竹川高志、大倉正道、中井淳一、林康紀
  • 学会等名: 第94回日本薬理学会年会
• [学会発表] Hippocampal place- and time-encoding cells have different vulnerability in Alzheimer’s disease model mice. (2019)
  • 著者名/発表者名: Risa Takamura, Kotaro Mizuta, Yukiko Sekine, Tanvir Islam, Takashi Saito, Takashi Takekawa, Masamichi Ohkura, Tomoki Fukai, Junichi Nakai, Takaomi C. Saido, Yasunori Hayashi
  • 学会等名: 第41回日本神経科学大会
• [備考] 脳内地図を細胞レベルで観察
  • URL: https://www.riken.jp/press/2020/20200708_1/index.html
• [備考] 脳内地図を細胞レベルで観察 －自閉症関連遺伝子Shank2はランドマーク情報に必須－
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2020-07-09-1
• [備考] 知の京都- 水田恒太郎さん（京都大学医学研究科システム神経薬理学 助教）
  • URL: https://www.pref.kyoto.jp/sangyo-sien/specialist/mizutakotaro.html
• [備考] 林康紀研究室ホームページ
  • URL: http://glutamate.med.kyoto-u.ac.jp/