領野・入力特異的な皮質線条体経路を介する行動制御の神経回路メカニズム

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H02545
• 研究機関: 福島県立医科大学
• 研究代表者: 小林 和人 福島県立医科大学, 医学部, 教授 (90211903)
• 研究分担者: 加藤 成樹 福島県立医科大学, 医学部, 講師 (90443879) ; 西澤 佳代 福島県立医科大学, 医学部, 助教 (30644108) ; 瀬戸川 将 福島県立医科大学, 医学部, 博士研究員 (30760508)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 経路選択的操作 / 細胞標的法 / 化学遺伝学 / 皮質線条体路 / オペラント学習

研究実績の概要

環境変化に対する適応は、脳の持つ本質的な役割であり、この適応行動の基盤となる神経ネットワークの仕組みの解明は、神経科学領域において克服すべき重要な課題である。我々の研究グループは、独自の神経回路操作技術を開発し、大脳皮質―基底核―視床を連関する神経回路を介して行動の制御や切り替えに関わる細胞種や神経路の役割を明らかにしてきた。大脳皮質は、機能の異なる多くの領野から構成され、それぞれの領野から線条体の異なる領域へ投射するばかりでなく、個々の領野からの皮質線条体投射は2種類の異なる入力様式を示す。本研究課題では、種々の皮質線条体路のうち、特に、運動野として一次運動野(M1)と二次運動野(M2)に由来する経路、および、感覚野として視覚野と聴覚野に由来する経路に着目して行動制御におけるそれぞれの神経路の機能の解明に取り組む。M1/M2 線条体経路は、経路選択的な細胞標的法によりM1 線条体路は習慣行動の形成に重要な役割を持つこと、また、M2 線条体路は目的達成型行動の獲得よりも動機づけに関わる可能性を見出した。本年度は、M1/M2 線条体経路の機能を化学遺伝学的手法により解析するために、M1 経路特異的にhM4Di受容体を発現させ、CNOを投与し、経路の機能抑制を行ったが、習慣行動形成に顕著な影響を及ぼさなかった。代謝型受容体の機能は繰り返し投与による脱感作する可能性があり、慢性実験において顕著な結果が得られない可能性が示唆された。我々は、小動物用PETを用いた解析から、音弁別学習の獲得に、後部線条体の活動亢進を見出した。軸索トレーシング実験により、この後部線条体には、帯状回皮質など種々の皮質領域から入力のあることを見出し、後部線条体に入力する皮質線条体路に着目することとした。

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

本研究課題では、種々の皮質線条体路のうち、特に、運動野として一次運動野(M1)と二次運動野(M2)に由来する経路、および、感覚野として視覚野と聴覚野に由来する経路に着目して行動制御におけるそれぞれの神経路の機能の解明に取り組む。M1/M2 線条体経路は、経路選択的な細胞標的法によりM1 線条体路は習慣行動の形成に重要な役割を持つこと、また、M2 線条体路は目的達成型行動の獲得よりも動機づけに関わる可能性を見出した。本年度は、M1/M2 線条体経路の機能を化学遺伝学的手法により解析するために、NeuRet-Cre ベクターをマウス線条体に投与し、組換え反応により代謝型 hM4Di受容体を発現するアデノ随伴ウィルスベクターを注入し、M1 経路特異的に外来の受容体を発現させる実験系を確立した。 M1 線条体路の習慣行動形成への役割を調べるために、 random interval スケジュールによるレバー押し行動課題を用いて、行動の獲得期あるいは実行の前に薬剤投与を行い、どの時期の投与によって習慣行動形成が阻害するかの検討を行った。しかし、 hM4Diを発現するマウスにおいてCNOを投与した場合に行動に顕著な影響を及ぼさなかった。代謝型受容体の機能は繰り返し投与による脱感作する可能性があり、慢性実験において顕著な結果が得られない可能性が示唆された。次年度は、イオン透過型受容体の発現による機能抑制実験を試みる予定である。我々は、小動物用PETを用いた解析から、聴覚弁別課題の形成後期に、聴覚野線条体が重要な役割を持つと考えていたが、昨年度の入出力経路に関する詳細な解析から、この領域は、聴覚野線条体ではなく、その近傍に位置する後部線条体であることを明らかにした。また、軸索トレーシング実験により、この後部線条体には、帯状回皮質など種々の皮質領域から入力のあることを見出した。

今後の研究の推進方策

上記のように、M1/M2 線条体経路の機能を化学遺伝学的手法により解析するために、NeuRet-Cre ベクターをマウス線条体に投与し、組換え反応によりイオン透過型受容体 (GluCla/b)を発現するアデノ随伴ウィルスベクターを注入し、M1 経路特異的にGluCla/b受容体を発現させる実験系を確立する。 M1 線条体路の習慣行動形成への役割を調べるために、レバー押し行動課題を用いて、行動の獲得期あるいは実行の前にGluCla/bのリガンドであるイベルメクチンを投与し、習慣行動形成への影響を解析する。我々は、小動物用PETを用いて、音弁別学習の獲得期に後部線条体の活動が増加することを見出した。今後、この領域の活動が学習獲得に関与するか否かを明らかにするとともに、実際に神経活動がどのように変化しているかを電気生理学的に解析する。後部線条体の役割を明確にした後に、この線条体に投射する帯状回皮質など種々の皮質線条体路の機能を明らかにする実験に取り組む計画である。

研究成果

• [雑誌論文] Motor skills mediated through cerebellothalamic tracts projecting to the central lateral nucleus (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakayori Nobuyuki、Kato Shigeki、Sugawara Masateru、Setogawa Susumu、Fukushima Hotaka、Ishikawa Rie、Kida Satoshi、Kobayashi Kazuto
  • 雑誌名: Molecular Brain 巻: 12 ページ: 13
  • DOI: 10.1186/s13041-019-0431-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Task-dependent function of striatal cholinergic interneurons in behavioural flexibility (2018)
  • 著者名/発表者名: Okada Kana、Nishizawa Kayo、Setogawa Susumu、Hashimoto Kouichi、Kobayashi Kazuto
  • 雑誌名: European Journal of Neuroscience 巻: 47 ページ: 1174～1183
  • DOI: 10.1111/ejn.13768
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chemical Landscape for Tissue Clearing Based on Hydrophilic Reagents (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Tainaka, Tatsuya C. Murakami, Etsuo A. Susaki, Chika Shimizu, Rie Saito, Kei Takahashi, Akiko Hayashi-Takagi, Hiroshi Sekiya, Yasunobu Arima, Satoshi Nojima, Masako Ikemura, Tetsuo Ushiku, Yoshihiro Shimizu, Masaaki Murakami, Kenji F. Tanaka, Masamitsu Iino, Haruo Kasai, Toshikuni Sasaoka et al
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 24 ページ: 2196～2210.e9
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2018.07.056
  • 査読あり
• [雑誌論文] Monitoring and Updating of Action Selection for Goal-Directed Behavior through the Striatal Direct and Indirect Pathways (2018)
  • 著者名/発表者名: Nonomura Satoshi、Nishizawa Kayo、Sakai Yutaka、Kawaguchi Yasuo、Kato Shigeki、Uchigashima Motokazu、Watanabe Masahiko、Yamanaka Ko、Enomoto Kazuki、Chiken Satomi、Sano Hiromi、Soma Shogo、Yoshida Junichi、Samejima Kazuyuki、Ogawa Masaaki、Kobayashi Kazuto、Nambu Atsushi、Isomura Yoshikazu、Kimura Minoru
  • 雑誌名: Neuron 巻: 99 ページ: 1302～1314.e5
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2018.08.002
  • 査読あり
• [学会発表] Behavioral selection and switching flexibility regulated by thalamustriatal circuit (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Kato, Kazuto Kobayashi
  • 学会等名: The 41st Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] Identification of indirect pathway neurons and dopaminergic innervation in the rat dorsomedial striatum (2018)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Nonomura, Shigeki Kato, Yoshio Iguchi, Kayo Nishizawa, Yutaka Sakai, Yasuo Kawaguchi, Atsushi Nambu, Masahiko Watanabe, Kazuto Kobayashi, Yoshikazu Isomura, Minoru Kimura
  • 学会等名: The 41st Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
• [学会発表] 神経回路の遺伝子操作による動物モデル研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林 和人
  • 学会等名: 第２９回東北動物実験研究会
  • 招待講演