空間探索における海馬とワーキングメモリの相互作用の回路モデル

• 研究領域: 多様性から明らかにする記憶ダイナミズムの共通原理
• 研究課題/領域番号: 16H01289
• 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: 生物系
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 深井 朋樹 国立研究開発法人理化学研究所, 脳科学総合研究センター, チームリーダ (40218871)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 8,320千円 (直接経費: 6,400千円、間接経費: 1,920千円); 2017年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2016年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
• キーワード: 海馬CA1 / 嗅内野皮質 / 局所神経回路モデル / シータリズム / 同期発火 / 領野間コミュニケーション / ワーキングメモリ課題 / 実験データ解析 / 計算論的モデル / 局所回路 / ガンマ振動 / シータ振動 / 領野間連絡 / 局所電場 / 大脳皮質局所回路 / 作業記憶 / 同期

研究実績の概要

マウスが意思決定を行うためにTジャンクションに近づくと、嗅内野皮質（EC）３層にシータ波のコヒーレンスの緩やかな増大が見られる。EC（EC2/3層＋EC5層）と海馬CA1の情報連絡を再現する局所回路モデルを構築し、行動依存のシータ波の変化の再現に成功した。このモデルの主な予言を列挙すると、１．ワーキングメモリの呼び出し時には、CA1の興奮性細胞と抑制性細胞にコリン作動性の活性化が起こる。2. ワーキングメモリ回路が一時記憶を保持する場合としていない場合とでは、シータ波に対するスパイク発火のECとCA1の位相が課題遂行中に動的に変化する。3. 一時記憶の局所回路内での読み出しと移送に於いて、実験で示唆されたガンマ波の役割りは、シータ波のそれに比較すると重要ではない。ただしガンマ波の存在は、局所回路外部からの情報の読み出しを促進することがわかった。最終年度はこれらの予言の検証を山本、利根川らの実験グループからデータを入手して試みた(Yamamoto et al., Cell 2014)。ただ残念ながら実験データではCA1のスパイク数が不足しており、あらゆる方法を試みたものの、統計的に有意な結果を得ることは出来なかった。また年度初めに計画した、ガンマ波とシータ波の結合状態のモデルに依る再現は、実験データの解析に時間がかかったため思うように進捗しなかった。そこで現在、他のグループが公開している実験データにもあたり、理論の予言と実験的検証を統合する論文の作成に注力している。ただし科研費で雇用していたポスドクが大学に就職することが決まるなど、時間的制約が厳しいことを考慮し、不本意ではあるが回路モデルのみ発表することも考えている。

現在までの達成度 (段落)

29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

29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] Detailed Dendritic Excitatory/Inhibitory Balance through Heterosynaptic Spike-Timing-Dependent Plasticity (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiratani Naoki、Fukai Tomoki
  • 雑誌名: The Journal of Neuroscience 巻: 37 号: 50 ページ: 12106-12122
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0027-17.2017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Medial frontal circuit dynamics represents probabilistic choices for unfamiliar sensory experience (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Handa, Takashi Takekawa, Rie Harukuni, Yoshikazu Isomura, and Tomoki Fukai
  • 雑誌名: Cerebral Cortex 巻: Feb. 10 号: 7 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1093/cercor/bhx031
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hebbian Wiring Plasticity Generates Efficient 1 Network Structures for Robust Inference with Synaptic Weight Plasticity (2016)
  • 著者名/発表者名: Naoki Hiratani, Tomoki Fukai
  • 雑誌名: Frontiers in Neural Circuits 巻: 10 ページ: 1-19
  • DOI: 10.3389/fncir.2016.00041
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] Sequence learning through reverse replay and preplay in hippocampal circuit models (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Fukai
  • 学会等名: Institut d’Investigacions Biom?diques August Pi i Sunyer (IDIBAPS)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dynamic modulation in communications between Hippocampus and Medial entorhinal cortex depending on cognitive state. (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Kurikawa, Tomoki Fukai
  • 学会等名: The 4th CiNet Conference "Neural oscillation and functional connectivity:from anatomy to perception"
  • 国際学会
• [学会発表] Information transfer during slow oscillations in cortical networks (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Fukai
  • 学会等名: The 4th CiNet Conference "Neural oscillation and functional connectivity:from anatomy to perception"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Discrete-attractor-like motion in continuous-attractor neural field models (2018)
  • 著者名/発表者名: Chi Chung Fung, Tomoki Fukai
  • 学会等名: Computational and Systems Neuroscience (Cosyne) 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Different neural landscape regulates individual differences in sensory-guided decision making (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Kurikawa, Takashi Handa, Tomoki Fukai
  • 学会等名: Computational and Systems Neuroscience (Cosyne) 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 場所記憶の想起における海馬ー嗅内皮質間の動的通信機構：計算モデルDynamic communications between CA1 and MEC during spatial working memory: computational model (2017)
  • 著者名/発表者名: 栗川 知己 / Tomoki Kurikawa, 深井 朋樹 / Tomoki Fukai
  • 学会等名: Neuroscience2017 第40回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] Identification of characteristic dynamism of engram cells during learning (2017)
  • 著者名/発表者名: Khaled Ghandour, Noriaki Ohkawa, Chi Chung Alan Fung, Yoshito Saitoh, Takashi Takekawa, Hirotaka Asai, Reiko Okubo-Suzuki, Masanori Nomoto, Shuhei Tsujimura, Hirofumi Nishizono, Mina Matsuo, Masaaki Sato, Masamichi Ohkura, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi, Tomoki Fukai, Kaoru Inokuchi
  • 学会等名: Neuroscience2017 第40回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] 大脳皮質と海馬の神経集団活動から読み解く回路機能 (2017)
  • 著者名/発表者名: 深井朋樹
  • 学会等名: 平成29年度生理学研究所研究会「大脳皮質回路の機能原理を探る」
  • 招待講演
• [学会発表] Instability of neural trajectories in medial frontal cortex predicts individual differences in perceptual decision making (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Kurikawa, Takashi Handa, Tomoki Fukai
  • 学会等名: Neuroscience 2017 (SfN's 47th annual meeting)
  • 国際学会
• [学会発表] Competence of neuronal network models with random couplings to support slow oscillations (2016)
  • 著者名/発表者名: Chi Chung Fung, Tomoki Fukai
  • 学会等名: Neuroscience 2016 (SfN's 46th annual meeting)
  • 発表場所: San Diego, CA., U.S.A.
  • 年月日: 2016-11-15
  • 国際学会
• [学会発表] A hippocampal-entorhinal microcircuit model for dynamic communication in a memory-based navigation task (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Kurikawa, Tomoki Fukai
  • 学会等名: Neuroscience 2016 (SfN's 46th annual meeting)
  • 発表場所: San Diego, CA., U.S.A.
  • 年月日: 2016-11-13
  • 国際学会
• [学会発表] 新規聴覚刺激に対する応答の個体差の神経機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 栗川 知己、深井 朋樹
  • 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
  • 年月日: 2016-07-22
• [学会発表] A Neuronal Network Model with Log-Normal Distributed Couplings Enables Slow Oscillatory Dynamics (2016)
  • 著者名/発表者名: Chi Chung Fung, Tomoki Fukai
  • 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
  • 年月日: 2016-07-20
• [学会発表] A hippcumpal-entorhinal microcircuit model for adaptive communication through theta and gamma rhythms in a memory-based navigation task (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Kurikawa, Tomoki Fukai
  • 学会等名: Modeling Neural Activity: Statistics, Dynamical Systems, and Networks
  • 発表場所: Waikoloa, Hawaii, USA
  • 年月日: 2016-06-22
  • 国際学会
• [図書] The Rewiring Brain (2017)
  • 著者名/発表者名: eds. Arjen van Ooyen and Markus Butz-Ostendorf
  • 総ページ数: 592
  • 出版者: Academic Press
  • ISBN: 9780128038727