経路選択的光遺伝学機能操作法による行動制御

• 研究領域: メゾスコピック神経回路から探る脳の情報処理基盤
• 研究課題/領域番号: 25115731
• 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: 生理学研究所
• 研究代表者: 伊佐 正 生理学研究所, 発達生理学研究系, 教授 (20212805)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2014年度)
• 配分額: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2014年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2013年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
• キーワード: 上丘 / 指向運動 / 逃避行動 / ウィルスベクター / 光遺伝学 / 脳幹網様体

研究実績の概要

げっ歯類において、中脳上丘から反対側網様体へ投射経路は視覚刺激等に対する指向運動を制御しているのに対し、同側網様体への投射経路は逃避行動を制御しているという仮説が提唱されてきた。しかし、その実験的証拠はあくまで間接的だった。本研究では、ウィルスベクターのみを用いて経路選択的にチャネルロドプシンを発現させ、それによってそれぞれの経路選択的に特異的な行動が観察されるかどうかを観察し、上記の仮説の検証を目的としている。今回、そのための第一歩として、AAV1-CAG-ChR2(H134R)-tdTomatoをマウスの片側上丘に注入し、５－７週間後に波長473nmの青色レーザーを直径250μmないしは500μmの光ファイバーを上丘の直上に埋めて照射し、行動を観察した。すると、直径250μmで尾外側部を刺激した際には、反対側への頭部の指向運動が誘発され、２－３秒にわたる長い時間の刺激では全身の回旋運動が誘発された。それに対し、吻内側部の刺激では上方向に頭を向ける指向運動様の動きが観察された。一方で、直径500μmの光ファイバーで上丘全体を強く刺激した際には、全身の逃避行動が観察された。次に、第二段階として、左の橋・延髄網様体に逆行性のウィルスベクターであるFuGC- MSCV-Creを注入し、その後右側の上丘にAAV-EF1α-double flex hChR2-YFPを注入し、交叉性上丘―網様体投射経路に選択的にチャネルロドプシンを発現させた。数か月以降に上丘に波長473 nmの青色レーザー光を照射したところ、反対側の頭部の指向運動を誘発できた。その後麻酔下でも上丘ニューロンがレーザー刺激に発火応答していることが確認できた。このようにして、遺伝子改変動物を作製することなく、２種類のウィルスベクターの組み合わせのみで、経路選択的な光遺伝学的手法によって、行動に影響を与えることができた。

現在までの達成度 (段落)

26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

26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] Decoding grasp force profile from electrocorticography signals in non-human primate sensorimotor cortex. (2014)
  • 著者名/発表者名: Chen, C., Shin, D., Watanabe, H., Nakanishi, Y., Kambara, H., Yoshimura, N., Nambu, A. and Isa, T., Nishimura, Y. & Koike, Y.
  • 雑誌名: Neurosci Res 巻: S0168-0102(14). ページ: 00047-9
  • DOI: 10.1016/j.neures.2014.03.010
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cervical Dystonia: a disorder of the midbrain network for covert attentional orienting. (2014)
  • 著者名/発表者名: Hutchinson M, Isa T, Molloy A, Williams L, Kimmich O, Molloy F, Moore H, Healy DG, Lynch T, Walsh C, Butler J, Reilly R, Walsh R, O’Riordan S
  • 雑誌名: Frontiers in Neurology 巻: なし
  • DOI: 10.3389/fneur.2014.00054
  • 査読あり
• [雑誌論文] Distinct local circuit properties of the superficial and intermediate layers of the rodent superior colliculus. (2014)
  • 著者名/発表者名: Phongphanphanee, P., Marino, R., Kaneda, K., Yanagawa, Y., Munoz, D.P. and Isa, T.
  • 雑誌名: Eur J Neurosci. 巻: 40（2） 号: 2 ページ: 2329-43
  • DOI: 10.1111/ejn.12579
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reconstruction of intracortical whisker-evoked local field potential from electrocorticogram using a model trained forspontaneous activity in the rat barrel cortex. (2014)
  • 著者名/発表者名: Watanabe H, Sakatani T, Suzuki T, Sato MA, Nishimura Y, Nambu A, Kawato M, Isa T
  • 雑誌名: Neurosci Res. 巻: S0168-0102(14) ページ: 00121-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Decoding of the spike timing of primary afferents during voluntary arm movements in monkeys. (2014)
  • 著者名/発表者名: Umeda T, Watanabe H, Sato MA, Kawato M, Isa T, Nishimura Y
  • 雑誌名: Frontiers in Neuroscience 巻: なし ページ: 97-97
  • DOI: 10.3389/fnins.2014.00097
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reorganization of sensory pathways after neonatal hemidecortication in rats. (2014)
  • 著者名/発表者名: Wanakhachornkrai, O., Umeda, T., Isa, K., Tantisira, M., Tantisira, B. and Isa, T.
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 79 ページ: 94-98
  • DOI: 10.1016/j.neures.2013.11.003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plasticity for recovery after partial spinal cord injury-Hierarchical organization- (2014)
  • 著者名/発表者名: Isa, T. and Nishimura, Y.
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 78 ページ: 3-8
  • DOI: 10.1016/j.neures.2013.10.008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Viral vector-mediated selective and reversible blockade of the pathway for visual orienting in mice. (2013)
  • 著者名/発表者名: Sooksawate T, Isa K, Matsui R, Kato S, Kinoshita M, Kobayashi K, Watanabe D, Kobayashi K, Isa T.
  • 雑誌名: Frontiers in Neural Circuits 巻: 7 ページ: 162-162
  • DOI: 10.3389/fncir.2013.00162
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of early versus late rehabilitative training on manual dexterity after corticospinal tract lesion in macaque monkeys. (2013)
  • 著者名/発表者名: Sugiyama Y, Higo N, Yoshino-Saito K, Murata Y, Nishimura Y, Oishi T, Isa T
  • 雑誌名: Jornal of Neurophysiology 巻: 109 号: 12 ページ: 2853-2865
  • DOI: 10.1152/jn.00814.2012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Differential Expression of Secreted Phosphoprotein l in the Motor Cortex among Primate Species and during Postnatal Development and Functional Recovery (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Yamamoto, T. Oishi, N. Higo, S. Murayama, A. Sato, I. Takashima, Y. Sugiyama, Y. Nishimura, Y. Murata, K. Yoshino-Saito, T. Isa, T. Kojima
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 8(5) 号: 5 ページ: 1-13
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0065701
  • 査読あり
• [雑誌論文] GABAergic mechanisms for shaping transient visual responses in the mouse superior colliculus. (2013)
  • 著者名/発表者名: Kaneda K, Isa T
  • 雑誌名: Neuroscience 巻: 235 ページ: 129-140
  • DOI: 10.1016/j.neuroscience.2012.12.061
  • 査読あり
• [雑誌論文] DNA Methylation and Methyl-Binding Proteins Control Differential Gene Expression in Distinct Cortical Areas of Macaque Monkey. (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsusuke Hata, Hiroaki Mizukami, Osamu Sadakane, Akiya Watakabe, Masanari Ohtsuka, Masafumi Takaji, Masaharu Kinoshita, Tadashi Isa, Keiya Ozawa, and Tetsuo Yamamori
  • 雑誌名: The Journal of Neuroscience 巻: 33 号: 50 ページ: 19704-19714
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2355-13.2013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Prediction of hand trajectory from electrocorticography signals in primary motor cortex. (2013)
  • 著者名/発表者名: Chen, D., Shin, D., Watanabe, H., Nakanishi, Y., Kambara, H., Yoshimura, N., Nambu, A., Isa, T., Nishimura, Y. and Koike, Y.
  • 雑誌名: PLos One 巻: 8 号: 12 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0083534
  • 査読あり
• [雑誌論文] Roles of direct vs indirect pathways from the motor cortex to spinal motoneurons in the control of hand dexterity. (2013)
  • 著者名/発表者名: Isa, T., Kinoshita, M. and Nishimura, Y.
  • 雑誌名: Frontiers in Neurology 巻: 4 ページ: 191-191
  • DOI: 10.3389/fneur.2013.00191
  • 査読あり
• [学会発表] マウス上丘浅層におけるニューロン集団活動の空間的解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 笠井昌俊，伊佐正
  • 学会等名: バイオイメージ・インフォマティクスワークショップ２０１４
  • 発表場所: 岡崎コンファレンスセンター(愛知県、岡崎市）
  • 年月日: 2014-06-09
• [学会発表] 障害脳が示す新たな機能 (2014)
  • 著者名/発表者名: 伊佐正
  • 学会等名: 第55回日本神経学会学術大会
  • 発表場所: 福岡国際会議場(福岡県、福岡市）
  • 年月日: 2014-05-22
  • 招待講演
• [学会発表] Pathway-selective blocking technique with double viral vectors for dissecting large-scaled neural network (2014)
  • 著者名/発表者名: Tadashi Isa
  • 学会等名: Emerging technologies for exploring the normal and epileptic brain A Segerfalk-Pufendorf Symposium
  • 発表場所: Lund University(Sweden)
  • 年月日: 2014-05-06
  • 招待講演
• [学会発表] Estimation of Firing of Primary Afferents from Joint Kinematics During Voluntary Arm Movements of Monkeys
  • 著者名/発表者名: Umeda T, Sato M, Kawato M, Isa T, Nishimura Y
  • 学会等名: 第35回国際IEEE大会
  • 発表場所: 大阪国際会議場(大阪）
  • 招待講演
• [学会発表] Selective blocakde of crossed tecto-reticular pathway by double infection of viral vectors impaired orienting responses in mice; methodological considerations.
  • 著者名/発表者名: Kaoru Isa, Thongchai Sooksawate, Ryusuke Matsui, Masaharu Kinoshita, Shigeki Kato, Kenta Kobayashi, Dai Watanabe, Kazuto Kobayashi, Tadashi Isa
  • 学会等名: Gordon Research Conference
  • 発表場所: Stonehill College(MA, USA)
• [学会発表] Acquisition of novel behaviour by visual reinforcement without awareness: instrumental learning in blindsight monkeys
  • 著者名/発表者名: Rikako Kato, Norihiro Takakuwa, Abdelhafid Zeghbib, Peter Redgrave, Tadashi Isa
  • 学会等名: Gordon Research Conference
  • 発表場所: Stonehill College(MA, USA)
• [学会発表] Verified contribution of propriospinal neurons to recovery of hand dexterity after a corticospinal tract lesion in the monkey
  • 著者名/発表者名: T.Tohyama, M.Kinoshita, R.Matsui, S.Kato, K.Isa, D.Watanabe, K.Kobayashi, M.Liu, T.Isa
  • 学会等名: Neuroscience2013
  • 発表場所: サンディエゴ国際会議場（USA)
• [学会発表] Process of forming novel behavior by visual reinforcement without awareness: Instrumental conditioning in blindsight monkeys.
  • 著者名/発表者名: R.Kato, N.Takakuwa, A Zeghbib, P.Redgrave, T.Isa
  • 学会等名: Neuroscience2013
  • 発表場所: サンディエゴ国際会議場（USA）
• [学会発表] Classical conditioning reinforced by visual stimuli in blindsight monkeys.
  • 著者名/発表者名: N.Takakuwa, R.Kato, P.Redgrave, T.Isa
  • 学会等名: Neuroscience2013
  • 発表場所: サンディエゴ国際会議場（USA）
• [学会発表] Key elements for functional recovery from the partial spinal cord injury; spinal cord, cortex and beyond
  • 著者名/発表者名: Tadashi Isa
  • 学会等名: Weekly Colloquium, The Winifred Masterson Burke Medical Research Institute (NY,USA)
  • 発表場所: The Winifred Masterson Burke Medical Research Institute (NY, USA)
  • 招待講演
• [学会発表] Key elements for functional recovery after partial spinal cord injury; spinal cord, cortex and beyond
  • 著者名/発表者名: Tadashi Isa
  • 学会等名: 15th Spinal Research Network Meeting
  • 発表場所: London, UK
  • 招待講演
• [学会発表] Dissectiong the circuit for functional recovery after neuronal damage
  • 著者名/発表者名: Tadashi Isa
  • 学会等名: Plenary Lecture, the 10th Biennial Conference of the Chinese Neuroscience Society
  • 発表場所: Beijin International Convention & Exhibition Centre
  • 招待講演
• [学会発表] Large-scaled network reorganization during recovery from partial spinal cord injury
  • 著者名/発表者名: Tadashi Isa
  • 学会等名: Distinguished Lecture Program
  • 発表場所: Katholic University Leuven (Belgium)
  • 招待講演