「無意識の視覚‐運動系」によるサリエンシー検出機構の全貌

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22220006
• 研究機関: 生理学研究所
• 研究代表者: 伊佐 正 生理学研究所, 発達生理学研究系, 教授 (20212805)
• 研究分担者: 吉田 正俊 生理学研究所, 発達生理学研究系, 助教 (30370133)
• 研究期間 (年度): 2010-05-31 – 2015-03-31
• キーワード: サリエンシー / 上丘 / 視覚 / 盲視 / 視床枕 / 頭頂連合野

研究概要

サリエンシー検出の基盤となる中脳上丘における視覚応答の側方抑制機構を解明するために、麻酔下マウスの上丘から２光子レーザー顕微鏡を用いて細胞集団のカルシウムイメージングを行い、多数のニューロンの視覚応答を記録した。その結果、光刺激サイズを大きくしていくと、反応野の中心部の細胞の活動は変えて弱くなることから周辺抑制が顕著にみられることが明らかになった。さらに視野の異なる部位の２点を同時刺激すると相互に抑制しあうことが明らかになった。さらにGAD67-GFPノックインマウスを用いて興奮性ニューロンと抑制性ニューロンを区別して活動様式を解析したところ、同様な振る舞いをすることから、側方抑制は側方に長い投射を持つ抑制性ニューロンによって媒介されることがわかった。さらに、このような上丘の局所回路の構造をspiking neuronモデルによって大規模シミュレーションしたとことろ、興奮性、抑制性の側方の相互作用のうち、抑制性伝達のほうがより広いこと、さらに時間経過が遅いという特徴を含めると生理学データがよくシミュレートされることがわかった。このように、膝状体視覚系の入り口にあたる上丘でのサエリエンシー検出機構についてはその概要が明らかになってきた。
一方で、上丘を介する無意識の視覚系の機能として、連合学習が起きることが昨年度以来明らかになってきていたが、平成２５年度、連合学習課題遂行中に中脳のドーパミン細胞から記録を行うと、一次視覚野損傷側においてもドーパミン細胞は１００ミリ秒以下の短潜時で手がかり刺激に応答することがわかった。したがって、盲視での強化学習には上丘からドーパミン細胞への直接投射系が関与する可能性が示唆された。

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

盲視サルの脳機能イメージングで、上丘ー視床枕ー頭頂連合野系が重要な視覚情報処理機構であることがわかってきた。中脳上丘での局所回路でのサリエンシー検出機構については、マウスでのスライス標本でも解析、in vivo２光子イメージングでの解析およびspiking neuronモデルでのシミュレーションで概要がわかってきた。また、盲視サルのfree viewing中の眼球運動の解析により、一次視覚野がなくともサリエンシー、特に動き、明るさ、色へのサリエンシー検出はできていることがわかった(Curr Biol 2012)。さらに、盲視サルの認知・行動解析により、連合学習の能力とそのありようについて、大きく理解が進んできた。

今後の研究の推進方策

盲視でのサリエンシー検出機構の概要は明らかになってきたが、まだ「全貌」を語るには、同時に記録・解析しているのが局所であって、それぞれが線としてつながっていないこと、主に上丘の解析は進んだが他がどうなっているのかわからなかった。それに対し、近年開発されてきた全脳型ECoG記録法や、我々が開発したウィルスベクターによる経路選択的遮断方を組み合わせることで新たなステージに飛翔できる見込みがでてきた。しかし、それにはより大規模な研究体制のp構築が必要である。そこで平成２６年度から前倒しで新規の基盤研究Sに応募した。

研究成果

• [雑誌論文] Reorganization of sensory pathways after neonatal hemidecortication in rats. (2014)
  • 著者名/発表者名: Wanakhachornkrai, O., Umeda, T., Isa, K., Tantisira, M., Tantisira, B. and Isa, T.
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 79 ページ: 94-98
  • DOI: doi: 10.1016/j.neures.2013.11.003. Epub 2013 Nov 16.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plasticity for recovery after partial spinal cord injury-Hierarchical organization- (2014)
  • 著者名/発表者名: Isa, T. and Nishimura, Y.
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 78 ページ: 3-8
  • DOI: doi: 10.1016/j.neures.2013.10.008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Viral vector-mediated selective and reversible blockade of the pathway for visual orienting in mice. (2013)
  • 著者名/発表者名: Sooksawate T, Isa K, Matsui R, Kato S, Kinoshita M, Kobayashi K, Watanabe D, Kobayashi K, Isa T.
  • 雑誌名: Frontiers in Neural Circuits 巻: 7 ページ: 162
  • DOI: doi: 10.3389/fncir.2013.00162. eCollection 2013.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of early versus late rehabilitative training on manual dexterity after corticospinal tract lesion in macaque monkeys. (2013)
  • 著者名/発表者名: Sugiyama Y, Higo N, Yoshino-Saito K, Murata Y, Nishimura Y, Oishi T, Isa T.
  • 雑誌名: Journal of Neurophysiology 巻: 109 ページ: 2853-2865
  • DOI: doi: 10.1152/jn.00814.2012. Epub 2013 Mar 20.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Expression of secreted phosphoprotein 1 in the motor cortex among primate species and during postnatal development and functional recovery. (2013)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto T, Oishi T, Higo N, Murayama S, Sato A, Takashima I, Sugiyama Y, Nishimura Y, Murata Y, Yoshino-Saito K, Isa T, Kojima T.
  • 雑誌名: PLos One 巻: 8 ページ: e65701
  • DOI: doi: 10.1371/journal.pone.0065701. Print 2013.
  • 査読あり
• [雑誌論文] GABAergic mechanisms for shaping transient visual responses in the mouse superior colliculus. (2013)
  • 著者名/発表者名: Kaneda K, Isa T
  • 雑誌名: Neuroscience 巻: 235 ページ: 129-140
  • DOI: doi: 10.1016/j.neuroscience.2012.12.061. Epub 2013 Jan 18.
  • 査読あり
• [雑誌論文] DNA methylation and methyl-binding proteins control differential gene expression in distinct cortical areas of macaque monkey. (2013)
  • 著者名/発表者名: Hata, K., Mizukami, H., Sadakane, O., Watakabe, A., Kinoshita, M., Isa, T., Ozawa, K. & Yamamori, T
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience 巻: 33 ページ: 19704-19714
  • DOI: doi: 10.1523/JNEUROSCI.2355-13.2013.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Prediction of hand trajectory from electrocorticography signals in primary motor cortex. (2013)
  • 著者名/発表者名: Chen, D., Shin, D., Watanabe, H., Nakanishi, Y., Kambara, H., Yoshimura, N., Nambu, A., Isa, T., Nishimura, Y. and Koike, Y.
  • 雑誌名: PLos One 巻: 8 ページ: e83534
  • DOI: doi: 10.1371/journal.pone.0083534. eCollection 2013.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Roles of direct vs indirect pathways from the motor cortex to spinal motoneurons in the control of hand dexterity. (2013)
  • 著者名/発表者名: Isa, T., Kinoshita, M. and Nishimura, Y.
  • 雑誌名: Frontiers in Neurology 巻: 4 ページ: 191
  • DOI: doi: 10.3389/fneur.2013.00191
  • 査読あり
• [学会発表] Estimation of Firing of Primary Afferents from Joint Kinematics During Voluntary Arm Movements of Monkeys.
  • 著者名/発表者名: Umeda T, Sato M, Kawato M, Isa T, Nishimura Y.
  • 学会等名: 第35回国際IEEE大会.
  • 発表場所: 大阪国際会議場(大阪）
  • 招待講演
• [学会発表] Selective blockade of crossed tecto-reticular pathway by double infection of viral vectors impaired orienting responses in mice; methodological considerations.
  • 著者名/発表者名: Kaoru Isa, Thongchai Sooksawate, Ryosuke Matsui, Masaharu Kinoshita, Shigeki Kato, Kenta Kobayashi, Dai Watanabe, Kazuto Kobayashi, Tadashi Isa.
  • 学会等名: Gordon Research Conference
  • 発表場所: Stonehill College(MA, USA)
• [学会発表] Acquisition of novel behaviour by visual reinforcement without awareness: instrumental learning in blindsight monkeys.
  • 著者名/発表者名: Rikako Kato, Norihiro Takakuwa, Abdelhafid Zeghbib, Peter Redgrave, Tadashi Isa.
  • 学会等名: Gordon Research Conference
  • 発表場所: Stonehill College(MA, USA)
• [学会発表] Verified contribution of propriospinal neurons to recovery of hand dexterity after a corticospinal tract lesion in the monkey.
  • 著者名/発表者名: Tohyama T, Kinoshita M, Matsui R, Kato S, Isa K, Watanabe D, Kobayashi K, Liu M, Isa T.
  • 学会等名: Neuroscience2013
  • 発表場所: サンディエゴ国際会議場(USA
• [学会発表] Process of forming novel behavior by visual reinforcement without awareness: Instrumental conditioning in blindsight monkeys.
  • 著者名/発表者名: Kato R, Takakuwa N, Zeghbib A, Redgrave P, Isa T.
  • 学会等名: Neuroscience2013
  • 発表場所: サンディエゴ国際会議場(USA)
• [学会発表] Classical conditioning reinforced by visual stimuli in blindsight monkeys.
  • 著者名/発表者名: Takakuwa N, Kato R, Redgrave P, Isa T.
  • 学会等名: Neuroscience2013
  • 発表場所: サンディエゴ国際会議場(USA)
• [学会発表] Key elements for functional recovery from the partial spinal cord injury; spinal cord, cortex and beyond
  • 著者名/発表者名: Tadashi Isa
  • 学会等名: Weekly Colloquium, The Winifred Masterson Burke Medical Research Institute (NY, USA)
  • 発表場所: The Winifred Masterson Burke Medical Research Institute (NY, USA)
  • 招待講演
• [学会発表] Key elements for functional recovery after partial spinal cord injury; spinal cord, cortex and beyond
  • 著者名/発表者名: Tadashi Isa
  • 学会等名: 15th Spinal Research Network Meeting
  • 発表場所: London, UK
  • 招待講演
• [学会発表] Dissecting the circuit for functional recovery after neuronal damage
  • 著者名/発表者名: Tadashi Isa
  • 学会等名: Plenary Lecture, the 10th Biennial Conference of the Chinese Neuroscience Society
  • 発表場所: Beijin International Convention & Exhibition Centre
  • 招待講演
• [学会発表] Large-scaled network reorganization during recovery from partial spinal cord injury.
  • 著者名/発表者名: Tadashi Isa
  • 学会等名: Distinguished Lecture Program,
  • 発表場所: Katholic University Leuven (Belgium)
  • 招待講演