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環境との相互作用を通して柔軟に行動することは生物の生存に重要である。脳の神経回路はどのようなメカニズムを用いて、環境に応じた適切な行動選択に貢献するのだろうか。本研究では、シナプス可塑性や神経活動の修飾等を通して学習や意欲を制御すると考えられているドーパミン神経系に着目し、精密にコントロールされた行動課題、大規模な単一細胞活動同時計測技術、光遺伝学を用いた神経活動操作技術を用いて、この神経回路メカニズムの解明に取り組んだ。第一に、動物が目的指向的に環境に適応する過程を調べる行動課題を考案した。行動選択の結果得られる報酬をブロック単位で変化させると、動物はより多くの報酬を獲得できるように行動を適応的に変化させた。特に、行動開始までの時間と選択行動は報酬履歴に強く影響されることがわかった。つぎに、電気生理学的手法を組み合わせ、中脳ドーパミン神経細胞のある腹側被蓋野における細胞活動を大規模に同時計測し、動物が環境に適応する過程におけるマルチ単一ニューロン活動の集合的パターンを明らかにした。さらに、光遺伝学的手法を組み合わせた細胞種オプト同定技術を用いることで、同時に多数活動計測される細胞の中からドーパミン神経細胞の活動を特異的に同定した。その結果、学習の過程や意欲が増減する過程において、ドーパミン細胞はイベントの種類やタイミングに関して多様な応答を示すことがわかった。この多様性が回路別に分類される可能性を調べるため、光遺伝学的にドーパミン細胞の投射先を同定する技術を開発し、本研究に適用した。その結果、腹側線条体へのドーパミン神経投射パターンによってドーパミン信号の多様性を分類できることが明らかとなった。
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