思考デコーディングに基づく、知識獲得の神経機序の解明

• 研究課題/領域番号: 20H03554
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分51020:認知脳科学関連
• 研究機関: 富山大学
• 研究代表者: 野本 真順 富山大学, 学術研究部医学系, 助教 (20636253)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 18,200千円 (直接経費: 14,000千円、間接経費: 4,200千円); 2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2021年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2020年度: 12,350千円 (直接経費: 9,500千円、間接経費: 2,850千円)
• キーワード: スキーマ / 意味記憶 / オペラント条件付け学習 / カルシウムイメージング / ヒューリスティック / 知識 / 報酬学習 / ヒューリスティクス / アイドリング脳 / 知識形成 / 転移学習 / 神経活動デコーディング / 学習・記憶 / 光遺伝学 / 記憶制御 / エピソード記憶 / 知識構造 / 思考デコーディング

研究開始時の研究の概要

脳は獲得した経験、すなわちエピソード記憶から意味や概念を抽出し、他の状況に応用可能な「知識」を創る優れた機能を有する。しかし、獲得した経験から知識がいつどのように発生し、利用されるのかそのメカニズムを示した研究はない。
本研究では、マウスの思考をデコーディング可能な新規行動実験系と最先端の神経活動計測・操作テクニックを起点に、「アイドリング時に記憶同士がリプレイを介して照合・統合されることで知識が生まれる」と仮説を立て、従来アプローチ不能であった経験から生じる知識の獲得機序を明らかにすることを目的とする。

研究実績の概要

思考デコーディングに基づく、知識獲得の神経機序の解明を目的として、研究を進めた。
その過程の中で、mPFCのスキーマ学習課題時の脳活動は睡眠中には再生（リプレイ）および相互作用しているという明確な結果は得られなかったものの、mPFCのニューロン活動は学習時とは別に、ノンレム睡眠とレム睡眠で活動する細胞集団は完全に異なる亜集団に分かれており、一週間以上安定していることを発見した（TOYAMA MEDICAL JOURNAL（富山大学医学会誌）第33巻1号 2023）。
更に深く解析を進めた結果、教師なし学習で大規模データから「シークエンス神経活動」の神経活動表現を抽出するアルゴリズムを開発した。このアルゴリズムにより検出されたシークエンス神経活動の行動デコーディングを起点として、スキーマ課題において、課題のルールはmPFCの複数のシークエンス神経活動により戦略的行動や報酬への反応・予測を表す要素（知識）に分解されること、対応するルール学習要素は課題の習熟度が上がるにつれて、ロバストなシークエンス神経活動によって、より鮮明に表現されることを発見した（論文投稿準備中）。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Requirement for hippocampal CA3 NMDA receptors in artificial association of memory events stored in CA3 cell ensembles (2023)
  • 著者名/発表者名: Nomoto Masanori、Ohkawa Noriaki、Inokuchi Kaoru、Oishi Naoya
  • 雑誌名: Molecular Brain 巻: 16 号: 1
  • DOI: 10.1186/s13041-023-01004-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 睡眠状態に特異的な前頭前野の神経活動動態 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大野 駿太郎、野本 真順、井ノ口 馨
  • 雑誌名: Toyama Medical Journal 巻: 33 号: 1 ページ: 43-49
  • DOI: 10.57561/tmjutmed.33.1_43
  • ISSN: 2189-2466, 2758-6014
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Selective engram coreactivation in idling brain inspires implicit learning (2022)
  • 著者名/発表者名: Aly Mohamed H.、Abdou Kareem、Okubo-Suzuki Reiko、Nomoto Masanori、Inokuchi Kaoru
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 119 号: 32
  • DOI: 10.1073/pnas.2201578119
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A short-term memory trace persists for days in the mouse hippocampus (2022)
  • 著者名/発表者名: Wally Maha E.、Nomoto Masanori、Abdou Kareem、Murayama Emi、Inokuchi Kaoru
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 5 号: 1
  • DOI: 10.1038/s42003-022-04167-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Food odor perception promotes systemic lipid utilization (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsuneki Hiroshi, Sugiyama Masanori, Ito Toshihiro, Sato Kiyofumi, Matsuda Hiroki, Onishi Kengo, Yubune Koharu, Matsuoka Yukina, Nagai Sanaka, Yamagishi Towa, Maeda Takahiro, Honda Kosuke, Okekawa Akira, Watanabe Shiro, Yaku Keisuke, et al.
  • 雑誌名: Nature Metabolism 巻: 4 号: 11 ページ: 1514-1531
  • DOI: 10.1038/s42255-022-00673-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hippocampus as a sorter and reverberatory integrator of sensory inputs (2022)
  • 著者名/発表者名: Nomoto Masanori、Murayama Emi、Ohno Shuntaro、Okubo-Suzuki Reiko、Muramatsu Shin-ichi、Inokuchi Kaoru
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35119-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sevoflurane-induced amnesia is associated with inhibition of hippocampal cell ensemble activity after learning (2022)
  • 著者名/発表者名: Kameyama Akiyo、Asai Hirotaka、Nomoto Masanori、Ohno Shuntaro、Ghandour Khaled、Ohkawa Noriaki、Saitoh Yoshito、Yamazaki Mitsuaki、Inokuchi Kaoru
  • 雑誌名: Biology Open 巻: 11 号: 12
  • DOI: 10.1242/bio.059666
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 脳深部Ca²⁺イメージングへの誘い (2020)
  • 著者名/発表者名: 大川宣昭，竹川高志，野本真順，井ノ口馨
  • 雑誌名: 日本神経回路学会誌 巻: 27 号: 2 ページ: 74-86
  • DOI: 10.3902/jnns.27.74
  • NAID: 130007882378
  • ISSN: 1340-766X, 1883-0455
  • 年月日: 2020-06-05
  • オープンアクセス
• [学会発表] The hippocampus as a sorter and reverberatory integrator of sensory inputs (2022)
  • 著者名/発表者名: Nomoto M., Murayama E., Ohno S., Okubo-Suzuki R. and Inokuchi K.
  • 学会等名: Annual Meeting of Society for Neuroscience, San Diego, USA. 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Weaving cognitive inference in prefrontal network during NREM and REM sleep. (2022)
  • 著者名/発表者名: Zaher A., Abdou K, Choko K., Aly H., Nomoto M., Ghandour K., Okubo-Suzuki R., Muramatsu S. and Inokuchi K.
  • 学会等名: Annual Meeting of Society for Neuroscience, San Diego, USA. 2022
  • 国際学会
• [学会発表] A novel dimensionality reduction method "iSeq" reveals that higher-order functions of medial prefrontal cortex are represented as a combination of simpler functions (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohno S., Nomoto M. and Inokuchi K.
  • 学会等名: Annual Meeting of Society for Neuroscience, San Diego, USA. 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Dual roles of idling moments for past and future memories. (2022)
  • 著者名/発表者名: Ghandour K., Haga T., Ohkawa N., Fung C., Nomoto M., Sato M, Fukai T. and Inokuchi K.
  • 学会等名: Annual Meeting of Society for Neuroscience, San Diego, USA. 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Orbitofrontal Cortex Governs Wise Decisions Throughout Idling States. (2022)
  • 著者名/発表者名: Fayed M., Ghandour K., Murayama E., Okubo-Suzuki R., Abdou K., Nomoto M., Inokuchi K.
  • 学会等名: Annual Meeting of Society for Neuroscience, San Diego, USA. 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Dual roles of idling moments for past and future memories. (2022)
  • 著者名/発表者名: Ghandour K., Haga T., Ohkawa N., Fung C., Nomoto M., Sato M, Fukai T. and Inokuchi K.
  • 学会等名: Cellular Society 2022 Symposium, 2022. 11. 11, San Diego, CA, USA.
  • 国際学会
• [学会発表] Orbitofrontal Cortex Governs Wise Decisions Throughout Idling States. (2022)
  • 著者名/発表者名: Fayed M., Ghandour K., Murayama E., Okubo-Suzuki R., Abdou K., Nomoto M., Inokuchi K.
  • 学会等名: Cellular Society 2022 Symposium, 2022. 11. 11, San Diego, CA, USA.
  • 国際学会
• [学会発表] Ensemble reverberatory activity in hippocampus encodes associative memory. (2021)
  • 著者名/発表者名: Nomoto M., Murayama E., Ohno S., Okubo-Suzuki R., Inokuchi K.
  • 学会等名: The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society/the 1st CJK International Meeting
• [学会発表] seqNMF based on Itakura-Saito divergence for extraction of comparable temporal sequences in neuronal activities (2021)
  • 著者名/発表者名: Ohno S., Nomoto M., Inokuchi K.
  • 学会等名: The 44th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society/the 1st CJK International Meeting
• [学会発表] 海馬におけるアンサンブル反響活動による連合記憶の制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 野本 真順, 井ノ口 馨
  • 学会等名: 生理研研究会 記憶研究会2021「記憶・学習の多角的理解に向けたアプローチ」
• [学会発表] 嫌悪経験直後の情報反響と連合学習における海馬CA3 NMDA受容体の関与 (2020)
  • 著者名/発表者名: 野本真順, 村山絵美, 芳賀達也, 村松慎一, 深井朋樹, 井ノ口馨
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
• [学会発表] Involvement of sleep and NMDAR-activity in the storage of short-term memory engram. (2020)
  • 著者名/発表者名: Wally M., Nomoto M., Abdou K., and Inokuchi K.
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
• [備考] 脳海馬は外界からの入力情報を一時的に蓄えて、 リザバコンピューターのように処理することを発見
  • URL: https://www.u-toyama.ac.jp/wp/wp-content/uploads/20221216.pdf