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2021 年度 実績報告書

マルチタスクを支える前頭葉と皮質下の連携機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 19H03337
研究機関東北大学

研究代表者

虫明 元  東北大学, 医学系研究科, 教授 (80219849)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2024-03-31
キーワードマルチタスク / 前頭葉 / 抑制系
研究実績の概要

当研究課題では 脳が柔軟に複数の課題に対処できるための前頭葉と関連分野の働きを解明することである。色と運動を結びつけて学習し、その後記憶に基づいて同じ動作を行う主課題と其の記憶課題中に突然無関係の色ー運動の組み合わせの割り込み課題を一回だけ行わせ、その後に主課題の記憶課題に戻るようなマルチタスク課題を訓練した。
脳波の所見からは、シータ波、ベータ波がこの課題に関連していること示唆されている。またこれらの振動にはGABA性の抑制細胞が関わることが別途示唆されており、抑制性細胞がサブタイプに分類され、異なる周期の振動を生成することと関係することが想定されている。そこでこれらの抑制系の大脳皮質での役割を調べるために、そのサブタイプの詳細な分布を 2つのGABA合成酵素である GAD65, GAD67の分布を: NPY+, nNOS+, PV+, SOM+, CR+, and CCK+ のマーカーを用いて検討した。GAD65ではサブタイプごとに表現に差が見られ 高い表現を示す (NPY+ and nNOS+) また低い表現を示す (PV+, SOM+, CR+, and CCK+) が大脳皮質で認められた。GAD65は活動に応じて変化する傾向があるため、安静時の活動に差があることが示唆された。
脳波レベルの予備的な解析では、シータ波、ベータ波、ガンマ波がこの課題に関連していること示唆されている。またこれらの振動にはGABA性の抑制細胞が関わることが別途示唆されており、普段はそれほど高くない活動レベルでも、状況により、それぞれの抑制性細胞サブタイプが活性化することが想定される。ガンマ波はPV、ベータやシータの遅い波はSOMなどが関わることが示唆される。光遺伝学的に刺激を与えることで、各周波数の振動への介入による影響を調べるための光遺伝学的なツールの予備実験を行った。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

マルチタスクの行動的な側面に関して、予想通りの所見が得られつつある。更には予備実験で振動との関連性には、抑制系のサブタイプの関与が想定され、これらを区別しつつ、その機能を調べるための組織学的なツールと光遺伝学的なツールを開発している。今後は振動と抑制系、行動の文脈の関与を調べることで、前頭前野 その他の皮質下とのネットワークの神経基盤が解明されると期待される。また方法論に関しては論文として、まとめられたので、振動現象と行動に関する研究分野に寄与できる成果が得られた。

今後の研究の推進方策

今年の予備的な成果を、きちんと複数のサルで検証していく必要がある。サルは主課題に戻るときにエラーが多いことが本当にコンフリクトと解釈して妥当か、
サルを用いた行動解析、電気生理と 関連してげっ歯類での抑制細胞に関しての知見を今後統合していくことを計画している。
行動解析に関しては特に主課題と割り込み課題が特定の関係のときにコンフリクトが起こりやすいのか、この関係を系統的に解析することも検討している。複数の課題の行動が記憶のレベルで拮抗するということが、どのように脳の活動として反映されるのかを、ベータ波、シータ波、ガンマ波などの振動に関連して解明を進めることと、これらの振動の背景にある神経機構を調べていく。
また抑制系の役割と、光遺伝学的な操作方法をげっ歯類で確立しつつ、霊長類での実験に役立てるように、検討を進める。割り込みに関してはシータ波が前頭葉で重要な役割があることが判明してきており、大脳皮質と海馬の関連性が示唆されて、ネットワークとしては、どのような領域がこの振動を共有しているのか解明することが大切となる。複数領域の脳振動の同期性に着目することが手がかりを与えてくれる可能性があるので、この点を解明する予定である。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Faculty of Medicine/University of Ottawa(カナダ)

    • 国名
      カナダ
    • 外国機関名
      Faculty of Medicine/University of Ottawa
  • [雑誌論文] Heterogeneous GAD65 Expression in Subtypes of GABAergic Neurons Across Layers of the Cerebral Cortex and Hippocampus2021

    • 著者名/発表者名
      Kajita Yuki、Mushiake Hajime
    • 雑誌名

      Frontiers in Behavioral Neuroscience

      巻: 15 ページ: 1-14

    • DOI

      10.3389/fnbeh.2021.750869

  • [雑誌論文] Non-additive activity modulation during a decision making task involving tactic selection2021

    • 著者名/発表者名
      Braun Wilhelm、Matsuzaka Yoshiya、Mushiake Hajime、Northoff Georg、Longtin Andre
    • 雑誌名

      Cognitive Neurodynamics

      巻: 16 ページ: 117~133

    • DOI

      10.1007/s11571-021-09702-0

  • [雑誌論文] Optical manipulation of local cerebral blood flow in the deep brain of freely moving mice2021

    • 著者名/発表者名
      Abe Yoshifumi、Kwon Soojin、Oishi Mitsuhiro、Unekawa Miyuki、Takata Norio、Seki Fumiko、Koyama Ryuta、Abe Manabu、Sakimura Kenji、Masamoto Kazuto、Tomita Yutaka、Okano Hideyuki、Mushiake Hajime、Tanaka Kenji F.
    • 雑誌名

      Cell Reports

      巻: 36 ページ: 109427~109427

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2021.109427

  • [雑誌論文] Multimodal Functional Analysis Platform: 4. Optogenetics-Induced Oscillatory Activation to Explore Neural Circuits2021

    • 著者名/発表者名
      Mushiake Hajime、Ohshiro Tomokazu、Osawa Shin-ichiro、Hosaka Ryosuke、Katayama Norihiro、Tanaka Tetsu、Yawo Hiromu、Osanai Makoto
    • 雑誌名

      Advances in Experimental Medicine and Biology

      巻: 1293 ページ: 501~509

    • DOI

      10.1007/978-981-15-8763-4_34

  • [学会発表] Task-dependent neural representation of behavioral factors in primate medial prefrontal cortex.2022

    • 著者名/発表者名
      Awan Muhammad Ali Haider, Hajime Mushiake, Yoshiya Matsuzaka
    • 学会等名
      日本生理学会
  • [学会発表] 3D microelectrode array with optical stimulation for modulating neural network dynamics in the monkey motor cortex during a reaching task2022

    • 著者名/発表者名
      Hidenori Watanabe, Kazutaka Takahashi, Kenta Kobayashi, Nicholas G. Hatsopoulos, Hajime Mushiake
    • 学会等名
      第99回日本生理学会
  • [学会発表] The increase of GAD65 expression by PTZ stimulations occurs specifically in SOM-positive interneurons2022

    • 著者名/発表者名
      Yuki Kajita, Yuki Fukuda, Riho Kawamatsu, Takanori Oyanagi, Hajime Mushiake
    • 学会等名
      第99回日本生理学会
  • [学会発表] Role of Medial Areas in Tactics-selectivity.2021

    • 著者名/発表者名
      Awan Muhammad Ali Haider, Hajime Mushiake, Yoshiya Matsuzaka
    • 学会等名
      ENCODS 2021,UK (Online)
    • 国際学会
  • [学会発表] Role of medial prefrontal areas in sensorimotor transformation2021

    • 著者名/発表者名
      Awan Muhammad Ali Haider, Hajime Mushiake, Yoshiya Matsuzaka
    • 学会等名
      日本神経科学会
    • 国際学会
  • [学会発表] Comparison of prefrontal and premotor areas for behavioral factors in two-choice arm reaching task2021

    • 著者名/発表者名
      Awan Muhammad Ali Haider, Hajime Mushiake, Yoshiya Matsuzaka
    • 学会等名
      Society for Neuroscience 2021,Chicago (Online) 8-11 Nov 2021 2021年11月11日
    • 国際学会
  • [備考] 東北大学 生体システム生理学

    • URL

      http://www.neurophysiology.med.tohoku.ac.jp/

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公開日: 2022-12-28  

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