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哺乳動物における運動学習の回路動作原理を、前肢レバー引き課題学習中マウスでの２光子カルシウムイメージングや光遺伝学などの手法を用いて解明することを目的とした。最終年度である本年度は、実験データを増やすとともに得られたデータに対して統計数理学的に解析を行い、大脳基底核および小脳からの信号を受ける運動視床核からの運動野投射軸索の活動と運動学習との関連を明らかにした。学習後期で、運動野１層に入力する軸索終末の活動はレバー引き運動の開始時と終了時に強くなる一方、３層に入力する軸索終末のシグナルはレバー引きの開始時のみに強くなることがわかった。さらに、レバー引き時の軸索終末活動は、集団として順序良く活動していくシークエンス構造を持ち、その持続時間は３層よりも１層で長いことが示された。次に、これらの活動と行動との関係を調べると、１層に入力する軸索終末活動が強いほど、レバーの速度や軌道が安定になっていること、及び、３層に入力する軸索終末活動が強いほど、レバー引きの成功率が上がっていることが明らかになった。大脳基底核からの信号を受ける運動視床核は主として１層へ、小脳からの信号を受ける運動視床核は主として３層へ投射することを解剖学的および機能的に示した。さらに、大脳基底核や小脳を損傷した状態での神経活動測定を行うことで、視床皮質軸索終末活動に上記の特徴が現れるには大脳基底核と小脳の活動の両方が必要であることも明らかとなった。
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