視床線条体ネットワークの構造・機能マッピングと認知行動機能における役割の解明

• 研究課題/領域番号: 20K06912
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分46030:神経機能学関連
• 研究機関: 福島県立医科大学
• 研究代表者: 加藤 成樹 福島県立医科大学, 医学部, 准教授 (90443879)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2020年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
• キーワード: 視床線条体 / 聴覚弁別行動 / 認知機能 / 大脳基底核

研究開始時の研究の概要

視床を含む大脳基底核は、運動、認知、情動などの様々な脳機能を調節し、その異常は種々の精神・神経疾患の病態と深い関連を持つことが知られているが、神経回路レベルでの機能的な解析は進んでいない。本研究では、認知機能障害を伴うパーキンソン病において視床の神経細胞が一部変性することに着目し、視床線条体経路の認知機能における役割を解析することで、大脳基底核ネットワークの機能マッピングに取り組む。

研究実績の概要

自然界を生き抜く上で動物は生活環境におけるさまざまな情報を感覚系機能を通じて取得し、生命の危機を乗り越えている。その外界から受ける刺激の受容には大脳皮質のさまざまなsubregionと師匠の入出力関係、またそれを線条体がハブとして統御する重要な役割を担っている。解剖学的報告や近年のコネクトーム解析では、視床に含まれる束傍核(PF)と外側中心核(CL)から線条体へのグルタミン酸投射が、コリン作動性細胞を介して線条体の中型有棘神経細胞 (medium-sized spiny neuron)に連絡していることが明らかになってきた。
本研究では、ラットの視床から背外側前方および後方線条体への入力を逆行性ウイルスベクターによって遺伝子標識し、それぞれの標識回路を選択的に機能操作したモデル動物を用いて聴覚弁別学習課題を実施した。その結果、視床ー背外側前方線条体ネットワークが重要学習獲得に必須の役割を果たすことを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

背外側前方線条体と視床との神経連絡を選択的に経路標識して、その神経機能操作を行なったモデル動物を作出し、聴覚性弁別学習課題を実施した。昨年度は実験動物数が少なかったが、今年度は統計解析にも十分耐えうる数の動物数での実験を行い、データの確からしさを得ることができた。
一方、背外側後方線条体と視床のネットワークには上記に見られる学習行動への寄与はないことも見出した。

今後の研究の推進方策

弁別学習行動中の前背外側線条体および視床における神経活動記録実験の進行と記録データの解析方法を検討する。

研究成果

• [雑誌論文] Protocol for highly selective transgene expression through the flip-excision switch system by using a unilateral spacer sequence in rodents (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsushita Natsuki、Kato Shigeki、Nishizawa Kayo、Sugawara Masateru、Takeuchi Kosei、Miyasaka Yoshiki、Mashimo Tomoji、Kobayashi Kazuto
  • 雑誌名: STAR Protocols 巻: 4 号: 4 ページ: 102667-102667
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2023.102667
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reward expectation enhances action-related activity of nigral dopaminergic and two striatal output pathways (2023)
  • 著者名/発表者名: Rios Alain、Nonomura Satoshi、Kato Shigeki、Yoshida Junichi、Matsushita Natsuki、Nambu Atsushi、Takada Masahiko、Hira Riichiro、Kobayashi Kazuto、Sakai Yutaka、Kimura Minoru、Isomura Yoshikazu
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 6 号: 1 ページ: 914-914
  • DOI: 10.1038/s42003-023-05288-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Anatomical identification of a corticocortical top-down recipient inhibitory circuitry by enhancer-restricted transsynaptic tracing (2023)
  • 著者名/発表者名: Atsumi Yusuke、Oisi Yasuhiro、Odagawa Maya、Matsubara Chie、Saito Yoshihito、Uwamori Hiroyuki、Kobayashi Kenta、Kato Shigeki、Kobayashi Kazuto、Murayama Masanori
  • 雑誌名: Frontiers in Neural Circuits 巻: 17 ページ: 1245097-1245097
  • DOI: 10.3389/fncir.2023.1245097
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dissection of insular cortex layer 5 reveals two sublayers with opposing modulatory roles in appetitive drinking behavior (2023)
  • 著者名/発表者名: Takemoto Makoto、Kato Shigeki、Kobayashi Kazuto、Song Wen-Jie
  • 雑誌名: iScience 巻: 26 号: 6 ページ: 106985-106985
  • DOI: 10.1016/j.isci.2023.106985
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reinstating olfactory bulb-derived limbic gamma oscillations alleviates depression-like behavioral deficits in rodents (2023)
  • 著者名/発表者名: Li, Q.*, Takeuchi, Y.*, Wang, J., Barcsai, L., Pedraza, L.K., Kozak, G., Nakai, S., Kato, S., Kobayashi, K., Ohsawa, M., Lorincz, M.L., Devinsky, O., Buzsaki, G. and Berenyi, A. * Equal contribution
  • 雑誌名: Neuron 巻: 111 号: 13 ページ: 2065
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2023.04.013
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 2. Highly selective transgene expression through the flip-excision switch system by using a unilateral spacer sequence. (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsushita, N.*, Kato, S.*, Nishizawa, K., Sugawara, M., Takeuchi, K., Miyasaka, Y., Mashimo, T. and Kobayashi, K. * Equal contribution
  • 雑誌名: Cell Rep. Methods 巻: 3 号: 2 ページ: 100393-100393
  • DOI: 10.1016/j.crmeth.2022.100393
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 3. Catecholaminergic cell type-specific expression of Cre recombinase in knock-in transgenic rats generated by the Combi-CRISPR technology. (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsushita, N., Nishizawa, K., Kato, S., Iguchi, Y., Fukabori, R., Takeuchi, K., Miyasaka, Y., Mashimo, T. and Kobayashi, K.
  • 雑誌名: J. Neurosci. Methods 巻: 381 ページ: 109707-109707
  • DOI: 10.1016/j.jneumeth.2022.109707
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 4. Recording and manipulation of the maternal oxytocin neural activities in mice. (2022)
  • 著者名/発表者名: Yukinaga, H., Hagihara, M., Tsujimoto, K., Chiang, H., Kato, S., Kobayashi, K. and Miyamichi, K.
  • 雑誌名: Curr. Biol. 巻: 32 号: 17 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1016/j.cub.2022.06.083
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Thalamostriatal System Controls the Acquisition, Performance, and Flexibility of Learning Behavior (2021)
  • 著者名/発表者名: Kato Shigeki、Nishizawa Kayo、Kobayashi Kazuto
  • 雑誌名: Frontiers in Systems Neuroscience 巻: 15 ページ: 729389-729389
  • DOI: 10.3389/fnsys.2021.729389
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chemogenetic inactivation reveals the inhibitory control function of the prefronto-striatal pathway in the macaque brain (2021)
  • 著者名/発表者名: Oguchi Mineki、Tanaka Shingo、Pan Xiaochuan、Kikusui Takefumi、Moriya-Ito Keiko、Kato Shigeki、Kobayashi Kazuto、Sakagami Masamichi
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 4 号: 1 ページ: 1088-1088
  • DOI: 10.1038/s42003-021-02623-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Retrograde Transgene Expression via Neuron-Specific Lentiviral Vector Depends on Both Species and Input Projection. (2021)
  • 著者名/発表者名: Otsuka Y, Tsuge H, Uezono S, Tanabe S, Fujiwara M, Miwa M, Kato S, Nakamura K, Kobayashi K, Inoue K, Takada M
  • 雑誌名: Viruses 巻: 13(7) 号: 7 ページ: 1387-1387
  • DOI: 10.3390/v13071387
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhanced Retrieval of Taste Associative Memory by Chemogenetic Activation of Locus Coeruleus Norepinephrine Neurons (2020)
  • 著者名/発表者名: Fukabori R, Iguchi Y, Kato S, Takahashi K, Eifuku S, Tsuji S, Hazama A, Uchigashima M, Watanabe M, Mizuma H, Cui Y, Onoe H, Hikishima K, Yasoshima Y, Osanai M, Inagaki R, Fukunaga K, Nishijo T, Momiyama T, Benton R, & Kobayashi K
  • 雑誌名: The Journal of Neuroscience 巻: 40 号: 43 ページ: 8367-8385
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1720-20.2020
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dopaminergic signaling in the nucleus accumbens modulates stress-coping strategies during inescapable stress. (2020)
  • 著者名/発表者名: Cui, W., Aida, T., Ito, H., Kobayashi, K., Wada, Y., Kato, S., Nakano, T., Zhu, M., Isa, K., Kobayashi, K., Isa, T., Tanaka, K. and Aizawa, H.
  • 雑誌名: J Neurosci. 巻: 40 号: 38 ページ: 7241-7254
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0444-20.2020
  • NAID: 120007170786
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Pseudotyped lentiviral vectors for tract-targeting and application for the functional control of selective neural circuits. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kato, S. and Kobayashi, K.
  • 雑誌名: J Neurosci. Methods 巻: 344 ページ: 108854-108854
  • DOI: 10.1016/j.jneumeth.2020.108854
  • 査読あり
• [雑誌論文] Macaques Exhibit Implicit Gaze Bias Anticipating Others’ False-Belief-Driven Actions via Medial Prefrontal Cortex (2020)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Taketsugu、Akikawa Ryota、Kawasaki Keisuke、Egawa Jun、Minamimoto Takafumi、Kobayashi Kazuto、Kato Shigeki、Hori Yukiko、Nagai Yuji、Iijima Atsuhiko、Someya Toshiyuki、Hasegawa Isao
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 30 号: 13 ページ: 4433-4444
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.03.013
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Emergence of a Stable Neuronal Ensemble from a Wider Pool of Activated Neurons in the Dorsal Medial Prefrontal Cortex during Appetitive Learning in Mice (2019)
  • 著者名/発表者名: Brebner Leonie S.、Ziminski Joseph J.、Margetts-Smith Gabriella、Sieburg Meike C.、Reeve Hayley M.、Nowotny Thomas、Hirrlinger Johannes、Heintz Tristan G.、Lagnado Leon、Kato Shigeki、Kobayashi Kazuto、Ramsey Leslie A.、Hall Catherine N.、Crombag Hans S.、Koya Eisuke
  • 雑誌名: The Journal of Neuroscience 巻: 40 号: 2 ページ: 395-410
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1496-19.2019
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 神経ネットワーク機能操作のための遺伝学的介入 (2024)
  • 著者名/発表者名: 加藤 成樹
  • 学会等名: 2023年度 第15回脳科学クラスター・ミニリトリート
  • 招待講演
• [学会発表] Corticostriatal input and behavioral habituation (2023)
  • 著者名/発表者名: Shigeki KATO, Nozomu YOSHIOKA and Kazuto KOBAYASHI
  • 学会等名: 第46回日本神経科学大会
  • 招待講演
• [学会発表] 組換え酵素依存的遺伝子発現スイッチシステムにおけるリーク発現抑制型ベクター (2023)
  • 著者名/発表者名: 加藤 成樹, 松下 夏樹, 小林 和人
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会
• [学会発表] Thalamostriatal input in learning behavior cued by auditory stimuli (2022)
  • 著者名/発表者名: Shigeki KATO and Kazuto KOBAYASHI
  • 学会等名: 第45回日本神経科学大会
• [学会発表] 聴覚性弁別学習行動における視床線条体入力の役割 (2022)
  • 著者名/発表者名: 加藤 成樹, 小林 和人
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会
• [学会発表] Input analysis to striatal subdivision with high-frequency retrograde viral vector (2021)
  • 著者名/発表者名: 加藤 成樹, 小林 和人
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] 線条体subdivisionへの入力解析と行動機能操作 (2021)
  • 著者名/発表者名: 加藤 成樹, 小林 和人
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会
• [学会発表] Comparative analysis of retrograde gene transduction efficiency between various modified virus types. (2020)
  • 著者名/発表者名: 加藤 成樹, 小林 和人
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
• [図書] Neuromethods (2022)
  • 著者名/発表者名: Kenta Kobayashi, Shigeki Kato, and Kazuto Kobayashi(分担執筆)
  • 総ページ数: 331
  • 出版者: Humana Press
  • ISBN: 9781071629178
• [図書] 決定版 ウイルスベクターによる遺伝子導入実験ガイド (2020)
  • 著者名/発表者名: 平井宏和、日置寛之、小林和人
  • 総ページ数: 281
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 9784758122474