マウス社会性ナビゲーションの多感覚仮想環境における再構成とその包括的理解

2019 年度 実績報告書

• 研究領域: 生物ナビゲーションのシステム科学
• 研究課題/領域番号: 19H04942
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 佐藤 正晃 国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, 客員研究員 (90518325)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: バーチャルリアリティ / 二光子レーザー顕微鏡 / カルシウムイメージング / 社会行動 / 自閉症

研究実績の概要

本研究は、マウスの社会性ナビゲーション行動を多感覚バーチャルリアリティ環境において再構成し、その行動を支える神経回路活動をカルシウムイメージングで明らかにする。さらに、自閉症モデルマウスがバーチャルナビゲーション行動と神経回路活動に異常を示すかどうか検証する。得られたカルシウムイメージングと行動のデータをデータ科学研究者との共同作業で解析し、従来の仮説検証型の研究では気づきにくいデータの特徴を機械学習などのデータ駆動型の解析によって検出することで、ナビゲーションの学習やその病態の新しい理解を目指す。
本年度は、自閉症モデルマウスのバーチャルナビゲーション行動と海馬の神経回路活動について予備的な解析を行った。自閉症モデルマウスは、バーチャル空間を移動した時間と受けた報酬の回数、およびイメージングされた全細胞数に対する場所細胞の割合が正常マウスに比べ有意に高かった。正常マウスでは、訓練が進むに従ってランドマークの場所に反応する場所細胞の割合が次第に増加したが、自閉症モデルマウスではこの増加が起こらなかった。また正常マウスでは、報酬の場所に反応する場所細胞の割合が訓練初期から増加したが、自閉症モデルマウスでは、このような細胞の割合が、正常マウスよりもさらに増加していた。また正常マウスと自閉症マウスのナビゲーションの軌跡を、データ科学を専門とする班員との共同研究で解析したところ、それぞれのマウスに特徴的な軌跡のパターンの候補が得られた。共同研究による神経活動のパターンの統計的解析も現在進行中である。

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

本年度は、自閉症モデルマウスと正常マウスのバーチャルナビゲーション行動と神経回路活動の違いについての解析が進んだ。また、データ科学者との共同研究による解析の見通しが立ってきたことから、おおむね当初の計画通り進行していると考えられる。

今後の研究の推進方策

今後は、バーチャル社会性ナビゲーション中の神経活動イメージングを進める。データ科学的な解析を行い、訓練の初期と後期、あるいは正常マウスと自閉症モデルマウスの比較でそれぞれに特徴的な神経活動パターンが現れるかどうか、および神経活動のパターンから被験動物の行動状態をどの程度正確に推定できるかを明らかにする。

研究成果

• [雑誌論文] Astrocytes in Atp1a2‐deficient heterozygous mice exhibit hyperactivity after induction of cortical spreading depression (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Sugimoto, Masaaki Sato, Junichi Nakai and Kiyoshi Kawakami
  • 雑誌名: FEBS Open Bio 巻: in press ページ: in press
  • DOI: https://doi.org/10.1002/2211-5463.12848
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An aspherical microlens assembly for deep brain fluorescence microendoscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Sato*, Shotaro Sano, Hiroki Watanabe, Yoko Kudo, Junichi Nakai
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: in press ページ: in press
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2020.04.009
  • 査読あり
• [雑誌論文] Wide and deep imaging of neuronal activities by a wearable neuroImager reveals premotor activity in the whole motor cortex (2019)
  • 著者名/発表者名: Takuma Kobayashi, Tanvir Islam, Masaaki Sato, Masamichi Ohkura, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi, Hitoshi Okamoto
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: 8366
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-44146-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Orchestrated ensemble activities constitute a hippocampal memory engram (2019)
  • 著者名/発表者名: Khaled Ghandour, Noriaki Ohkawa, Chi Chung Alan Fung, Hirotaka Asai, Yoshito Saitoh, Takashi Takekawa, Reiko Okubo-Suzuki, Shingo Soya, Hirofumi Nishizono, Mina Matsuo, Makoto Osanai, Masaaki Sato, Masamichi Ohkura, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi, Takeshi Sakurai, Takashi Kitamura, Tomoki Fukai, Kaoru Inokuchi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 ページ: 2637
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-10683-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Minimum aberration deep brain fluorescence microendoscopy using a miniature aspherical lens assembly (2019)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Sato, Shotaro Sano, Hiroki Watanabe, Junichi Nakai
  • 学会等名: Society for Neuroscience 49th annual meeting
  • 国際学会