光遺伝学と磁気共鳴機能画像法の融合による大脳記憶機構の解明

2012 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24220008
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 宮下 保司 東京大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (40114673)
• 研究期間 (年度): 2012-05-31 – 2017-03-31
• キーワード: 磁気共鳴画像法 / 光遺伝学 / 大域的大脳ネットワーク / 記憶システム

研究概要

研究は順調に進捗している。本年度の研究実績に概要は以下の通りである。まず、記憶課題遂行中のサル大脳ネットワークの解析において、最初の大きな進捗が得られた（Miyamoto et al., Neuron 77, 787-799, 2013　同誌 SPOTLIGHTに掲載）。この研究では、マカクザルにヒトと同様の認知記憶課題を課し、磁気共鳴画像装置（MRI）内で課題遂行中の脳活動を記録してヒトと比較した。サルでもヒトでも、正しく記憶を想起した時に後部頭頂葉の活動が上昇することが明らかになった。さらに、サル後部頭頂葉に同定された2つの活動領域は、機能的にも解剖学的にも分化していて，それぞれヒトの頭頂葉の細胞構築学的には異なる領域に対応していることが示された。また、サル大脳への神経回路特異的な光遺伝学的刺激法／抑制法の確立に向けて、慢性サル行動課題実験用の新しいoptorodeの開発に成功した（Tamura et al., J. Neurosci. Methods 211, 49-57, 2012）。この新しいoptorodeの有用性は既に国際的に認められており、国際一流誌においての引用も増えつつある(Gerits et al., Trends Genetics 29, 403-411, 2013）。その他、サル大脳への神経回路解析においては、１つの図形を手がかりにして、事前に対として記憶している別の図形を連想する作業を遂行中のサルの側頭葉で、手がかり図形に応答しその情報を保持するニューロン（手がかり図形保持ニューロン）から、別の図形を思い出す時に活動するニューロン（対図形想起ニューロン）へと特異的に神経信号が伝達し、それがさらに他の対図形想起ニューロンへと伝播していくことによって、記憶想起信号が生成され、増幅されることを明らかにした（Hirabayashi et al. Neuron 77, 192-203, 2013 同誌 SPOTLIGHTに掲載）。

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

本研究は、上記「研究実績の概要」に記したように、すでに重要な発見に到達しており、また、今後の研究進展に必要なoptorodeの開発に成功している。その点で、研究は全体としては当初の計画以上に進捗していると評価される。その中で、サル大脳においてChR2等の遺伝子を発現させる実験は、組織障害性の問題が明らかになった為にラットを用いた予備実験に戻って原因等を検討することにした。その為に、研究費の一部を繰り越して使用することとした。この繰越計画に従って行った実験を追加することによって、サル大脳皮質における遺伝子の発現が、ラット大脳皮質における発現と異なること、ならびにこの差異の発生の仕方が遺伝子導入に用いるプロモーターによって異なることが明らかになり、論文発表した（Yaguchi et al., Characterization of the Properties of Seven Promoters in the Motor Cortex of Rats and Monkeys after Lentiviral Vector-Mediated Gene Transfer. Human Gene Therapy Methods 24, 333-344, 2013）。これは今後、本研究を推進する基礎となる重要な進捗であると評価している。

今後の研究の推進方策

基本的に、研究計画の変更は無い。当初の研究計画調書記載の計画に従って研究を推進する。

研究成果

• [雑誌論文] Characterization of the Properties of Seven Promoters in the Motor Cortex of Rats and Monkeys after Lentiviral Vector-Mediated Gene Transfer. (2013)
  • 著者名/発表者名: Yaguchi M, Ohashi Y, Tsubota T, Sato A., Koyano WK, Wang N, Miyashita Y.
  • 雑誌名: Hum. Gene Ther. Methods 巻: 24 ページ: 333–344
  • DOI: 10.1089/hgtb.2012.238
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Functional differentiation of memory retrieval network in macaque posterior parietal cortex. (2013)
  • 著者名/発表者名: Miyamoto, K., Osada, T., Adachi, Y., Matsui, T., Kimura, H.M. and Miyashita, Y.
  • 雑誌名: Neuron 巻: 77 ページ: 787-799
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2012.12.019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functional micro-circuit recruited during retrieval of object association memory in monkey perirhinal cortex. (2013)
  • 著者名/発表者名: Hirabayashi, T., Takeuchi, D. and Tamura, K. and Miyashita, Y.
  • 雑誌名: Neuron 巻: 77 ページ: 192-203
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2012.10.031
  • 査読あり
• [雑誌論文] FoxP2 is a parvocellular-specific transcription factor in the visual thalamus of monkeys and ferrets. (2013)
  • 著者名/発表者名: Iwai, L., Ohashi, Y., van der List, D., Usrey, W.M., Miyashita, Y. and Kawasaki, H.
  • 雑誌名: Cereb. Cortex 巻: 23 ページ: 2204-2212
  • DOI: 10.1093/cercor/bhs207
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bidirectional effects on inter-hemispheric resting-state functional connectivity induced by excitatory and inhibitory repetitive transcranial magnetic stimulation. (2013)
  • 著者名/発表者名: Watanabe T, Abe O, Kuwabara H, Yahata N, Takano Y, Iwashiro N, Natsubori T, Aoki Y, Takao H, Kawakubo Y, Kamio Y, Kato N, Miyashita Y, Kasai K, and Yamasue H.
  • 雑誌名: Human Brain Mapping 巻: 35 ページ: 1896-1905
  • DOI: 10.1002/hbm.22300, 2013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functional Connectivity between Anatomically Unconnected Areas Is Shaped by Collective Network-level Effects in the Macaque Cortex. (2012)
  • 著者名/発表者名: Adachi, Y., Osada, T., Sporns, O., Watanabe, T., Matsui, T., Miyamoto, K. and Miyashita, Y.
  • 雑誌名: Cereb. Cortex 巻: 22 ページ: 1586-1592
  • DOI: 10.1093/cercor/bhr234
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optogenetic inhibition of Purkinje cell activity reveals cerebellar control of blood pressure during postural alterations in anesthetized rats. (2012)
  • 著者名/発表者名: Tsubota, T., Ohashi, Y., Tamura, K. and Miyashita, Y.
  • 雑誌名: Neuroscience 巻: 210 ページ: 137-144
  • DOI: 10.1016/j.neuroscience.2012.03.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functional Dissociation between Anterior and Posterior Temporal Cortical Regions during Retrieval of Remote Memory. (2012)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, T., Kimura, H. M., Hirose, S., Wada, H., Imai, Y., Machida, T., Shirouzu, I., Miyashita, Y. and Konishi, K.
  • 雑誌名: J. Neurosci. 巻: 32 ページ: 9659-9670
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.5553-11.2012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local Signal Time-Series during Rest Used for Areal Boundary Mapping in Individual Human Brains. (2012)
  • 著者名/発表者名: Hirose, S., Watanabe, T., Jimura, K., Katsura, M., Kunimatsu, A., Abe, O., Ohtomo, K., Miyashita, Y. and Konishi, S.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 7 ページ: e36496
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0036496
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficiency of Go/No-Go Task Performance Implemented in the Left Hemisphere. (2012)
  • 著者名/発表者名: Hirose, S., Chikazoe, J., Watanabe, T., Jimura, K., Kunimatsu, A., Abe, O., Ohtomo, K., Miyashita, Y. and Konishi, S.
  • 雑誌名: J. Neurosci. 巻: 32 ページ: 9059-9065
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0540-12.2012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Neurodynamics of Cognitive Set Shifting in Monkey Frontal Cortex and Its Causal Impact on Behavioral Flexibility. (2012)
  • 著者名/発表者名: Kamigaki, T., Fukushima, T., Tamura, K. and Miyashita, Y.
  • 雑誌名: J. Cogn. Neurosci. 巻: 24 ページ: 2171-2185
  • DOI: 10.1162/jocn_a_00277
  • 査読あり
• [雑誌論文] Diminished medial prefrontal activity behind autistic social judgments of incongruent information. (2012)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, T., Yahata, N., Abe, O., Kuwabara, H., Inoue, H., Takano, Y., Iwashiro, N., Natsubori, T., Aoki, Y., Takao, H., Sasaki, H., Gonoi, W., Murakami, M., Katsura, M., Kunimatsu, A., Kawakubo, Y., Matsuzaki, H., Miyashita, Y., Kasai, K. and Yamasue, H.
  • 雑誌名: PloS One 巻: 7 ページ: e39561
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0039561
  • 査読あり
• [雑誌論文] To bet, or not to bet: that is the question of SEF spikes. (2012)
  • 著者名/発表者名: Miyamoto, K., Hirabayashi, T. and Miyashita, Y.
  • 雑誌名: Neuron 巻: 75 ページ: 787-799
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2012.07.012
  • 査読あり
• [雑誌論文] A glass-coated tungsten microelectrode enclosing optical fibers for optogenetic exploration in primate deep brain structures. (2012)
  • 著者名/発表者名: Tamura, K., Ohashi, Y., Tsubota, T., Takeuchi, D., Hirabayashi, T., Yaguchi, M., Matsuyama, M., Sekine, T. and Miyashita, Y.
  • 雑誌名: J. Neurosci. Methods 巻: 211 ページ: 49-57
  • DOI: 10.1016/j.jneumeth.2012.08.004
  • 査読あり
• [雑誌論文] fMRI activity in the macaque cerebellum evoked by intracortical microstimulation of the primary somatosensory cortex: evidence for polysynaptic propagation. (2012)
  • 著者名/発表者名: Matsui, T., Koyano, K.W., Tamura, K., Osada, T., Adachi, Y., Miyamoto, K., Chikazoe, J., Kamigaki, K. and Miyashita, Y.
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 7 ページ: e47515
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0047515
  • 査読あり
• [学会発表] Temporal neocortex shows antero-posterior functional dissociation during retrieval of remote memory.
  • 著者名/発表者名: Watanabe, T., Kimura, H., Hirose, S., Wada, H., Imai, Y., Machida, T., Shirouzu, I., Miyashita, Y. and Konishi, S.
  • 学会等名: The 18th Annual Meeting of Organization of Huma Brain Mapping
  • 発表場所: China National Convention Center Beijing, China
• [学会発表] Cell-type-specific optogenetic inhibition of Purkinje cells reveals cerebellar control of blood pressure maintenance during postural alterations.
  • 著者名/発表者名: Tsubota, T., Y. Ohashi, Tamura, K., Yaguchi, M., Matsuyama, M. Sekine, T. and Miyashita, Y.
  • 学会等名: The 35th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • 発表場所: Nagoya Congress Center
• [学会発表] Memory retrieval-related fMRI activity in the macaque posterior parietal cortex.
  • 著者名/発表者名: Miyamoto, K., Osada, T., Adachi, Y., Matsui, T., Kimura, H. M. and Miyashita, Y.
  • 学会等名: The 35th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • 発表場所: Nagoya Congress Center
• [学会発表] Advances in experimental and theoretical approaches to understanding functional architecture of neural circuits: Granger causality analysis in monkey temporal cortex during perceptual and memory task.
  • 著者名/発表者名: Hirabayashi, T., Takeuchi, D., Tamura, K. and Miyashita, Y.
  • 学会等名: The 35th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • 発表場所: Nagoya Congress Center
• [学会発表] Antero-posterior functional difference in the temporal neocortex during retrieval of remote memory.
  • 著者名/発表者名: Watanabe, T., Kimura, H.M., Hirose, S., Wada, H., Imai, Y., Machida, T., Shirouzu, I., Miyashita, Y. and Konishi, S. 5. Watanabe, T., Kimura, H.M., Hirose, S., Wada, H., Imai, Y., Machida, T., Shirouzu, I., Miyashita, Y. and Konishi, S.
  • 学会等名: The 35th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • 発表場所: Nagoya Congress Center
• [学会発表] Cerebellar regulation of blood pressure during postural alterations revealed by Purkinje cell-specific optogenetic inhibition.
  • 著者名/発表者名: Tsubota, T., Ohashi, Y., Tamura, K., Yaguchi, M., Matsuyama, M., Sekine, T. and Miyashita, Y.
  • 学会等名: The 42nd annual meeting of the Society for Neuroscience
  • 発表場所: New Orleans Ernest N. Morial Convention Center, U.S.A.
• [学会発表] Applying optogenetics to macaque deep brain structures: Development of a glass-coated tungsten optrode enclosing optical fibers.
  • 著者名/発表者名: Tamura, K., Ohashi, Y., Tsubota, T., Takeuchi, D., Hirabayashi, T., Yaguchi,M.,Matsuyama, M., Sekine, T. and Miyashita, Y.
  • 学会等名: The 42nd annual meeting of the Society for Neuroscience
  • 発表場所: New Orleans Ernest N. Morial Convention Center, U.S.A.
• [学会発表] Convergence of category-specific information in the temporal neocortex during retrieval of remote memory.
  • 著者名/発表者名: Watanabe, T., Kimura, H.M., Hirose, S., Wada, H., Katsura, M., Imai, Y., Machida, T., Shirouzu, I., Miyashita, Y. and Konishi, S.
  • 学会等名: The 42nd annual meeting of the Society for Neuroscience
  • 発表場所: New Orleans Ernest N. Morial Convention Center, U.S.A.
• [学会発表] Human association cortex is composed of functionally relevant micro-modules: a high-resolution fMRI study using resting-state functional connectivity.
  • 著者名/発表者名: Hirose, S., Watanabe, T., Wada, H., Imai, Y., Machida, T., Shirouzu, I., Miyashita, Y. and Konishi, S.
  • 学会等名: The 90th Annual Meeting of the Physiological Society of Japan
  • 発表場所: Tower Hall Funabori Tokyo
• [学会発表] Differences in Anatomical Basis of Local vs Global Resting State Networks.
  • 著者名/発表者名: Adachi, Y. and Miyashita, Y.
  • 学会等名: The 19th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping.
  • 発表場所: Washington State Convention Center in Seattle, U.S.A.
• [備考] Department of Physiology Miyashita Lab.
  • URL: http://www.physiol.m.u-tokyo.ac.jp/index.html