動作の癖を抑制する神経機構

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H04749
• 研究機関: 沖縄科学技術大学院大学
• 研究代表者: 青木 祥 沖縄科学技術大学院大学, 神経生物学研究ユニット, 研究員 (80720672)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 線条体 / 手続き学習 / 習慣的動作 / 前頭前野

研究実績の概要

動作の癖をどのように直すのか、これはスポーツ指導の現場において競技者・指導者が直面する難題である。我々の先行研究において、行動の切り替えに重要な機構として、線条体コリン作動性介在ニューロンの存在が明らかになっている（Aoki et al., J Neurosci., 2015）。本研究では、これらのニューロンを含めた大脳基底核および周辺脳領域が習慣動作の抑制に果たす役割を明らかにする。昨年度までに、線条体コリン作動性介在ニューロンの神経活動亢進を化学遺伝的手法により引き起こすと、習慣動作を抑制し新たな動作を獲得・置換する能力が高まることを発見した。これは、線条体コリン作動性介在ニューロンと習慣動作の抑制・置換を結びつける重要な知見である（Aoki et al., Eur J Neurosci., 2018）。

本年度から対象動物を遺伝学的手法の適用が易しくかつ多様な神経操作が可能なマウスによる実験系に切り替え実験を行った。行動課題は線条体依存的と考えられている手続き記憶（シークエンス学習）を基盤とした課題の構築を試みた。具体的には、オペラント課題において、マウスは特定のシークエンス動作を長期間の学習を経て獲得したのちに、別のシークエンスを再学習する。神経活動を操作する脳領域の対象として、線条体の上流を探索するため、線条体へ直接あるいは2シナプス性に投射をもつ、前頭前野、後頭頂皮質、小脳核の局所損傷を施した。その結果、すべての領域において、最初に覚えるシークエンス学習には影響が見られなかった。しかし再学習時において、前頭前野の損傷のみ学習効率を減少させた。このことは、前頭前野は線条体で生じる習慣的なシークエンス動作の抑制、切り替え・再学習を助ける役割を果たすことを示している。

次年度は、前頭前野が線条体におけるシークエンス再学習を助けるメカニズムの解明を目指す。

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

予定した計画通りに研究が進んでいるため。また、どのように線条体が習慣的動作（シークエンス動作）を抑制し再学習するのか、そのメカニズムを知るために線条体の上流脳領域を探索し、前頭前野が不可欠であることを突き止めたことは、今後前頭前野―線条体間の神経回路メカニズムを追求するための重要な知見となるため。

今後の研究の推進方策

今後は、習慣的シークエンス動作の抑制・再学習時に、前頭前野が線条体の神経活動制御に果たす役割を明らかにしていく。たとえば、シークエンスの再学習を行うマウスにおいて、遺伝学的あるいは薬理学的に前頭前野の活動を阻害した場合に、行動学的変化や線条体の神経活動の変化が生じるのかどうか検討していく。

さらに、前頭前野以外の線条体上流領域の機能の探索も続けるとともに、線条体の下流領域である視床運動核等のシークエンス学習・再学習時の生理学的機能も調べる予定である。この際には、同様のマウスのシークエンス学習課題を基盤として、遺伝学的神経活動操作、神経活動記録・イメージングを組み合わせる。これらの研究を通して、多数の脳領域を跨いでシステムレベルでどのように習慣的動作の抑制・再学習が成立するのかその原理を解明する。

研究成果

• [国際共同研究] Salk Institute for Biological Studies(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Salk Institute for Biological Studies
• [国際共同研究] Erasmus Medical Center(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: Erasmus Medical Center
• [雑誌論文] Multizonal cerebellar influence over sensorimotor areas of the rat cerebral cortex (2019)
  • 著者名/発表者名: Sho Aoki, Patrice Coulon, Tom J.H. Ruigrok
  • 雑誌名: Cerebral Cortex 巻: 29 ページ: 598-614
  • DOI: 10.1093/cercor/bhx343.
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Cerebellar modules and their role as operational cerebellar processing units. (2018)
  • 著者名/発表者名: Richard Apps, Richard Hawkes, Sho Aoki, Amanda M. Brown, Gang Chen, Timothy J. Ebner, Philippe Isope, Elizabeth P. Lackey, Charlotte Lawrenson, Bridget Lumb, Martijn Schonewille, Roy V. Sillitoe, Ludovic Spaeth, Izumi Sugihara, Antoine Valera, Jan Voogd, Douglas R. Wylie Tom J.H. Ruigrok
  • 雑誌名: The Cerebellum 巻: 17 ページ: 654-682
  • DOI: 10.1007/s12311-018-0952-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cholinergic interneurons in the rat striatum modulate substitution of habits (2018)
  • 著者名/発表者名: Sho Aoki, Andrew W. Liu, Yumiko Akamine, Aya Zucca, Stefano Zucca, Jeffery R. Wickens
  • 雑誌名: European Journal of Neuroscience 巻: 47 ページ: 1194-1205
  • DOI: 10.1111/ejn.13820
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Linking emotion to motion: novel interaction across “limbic” and “motor” cortico-basal ganglia loops. (2019)
  • 著者名/発表者名: Sho Aoki
  • 学会等名: OIST workshop: Neural Circuits for Motor Behavior
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Multiple viral tracings reveal an anatomical hierarchy in cortico-basal ganglia loops. (2018)
  • 著者名/発表者名: Sho Aoki, Jared. B Smith, Masakazu Igarashi, Patrice Coulon, Jeffery R. Wickens, Xin Jin, Tom J.H. Ruigrok.
  • 学会等名: Society for Neuroscience 2018
  • 国際学会