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2018 Fiscal Year Annual Research Report

Cortical local circuits for multi-area interconnectivity and parallel processing

Planned Research

Project AreaBrain information dynamics underlying multi-area interconnectivity and parallel processing
Project/Area Number 17H06311
Research InstitutionNational Institute for Physiological Sciences

Principal Investigator

川口 泰雄  生理学研究所, 基盤神経科学研究領域, 教授 (40169694)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 植田 禎史  東京女子医科大学, 医学部, 助教 (00511015)
Project Period (FY) 2017-06-30 – 2022-03-31
Keywords前頭皮質 / 錐体細胞 / 局所回路 / 皮質線条体投射
Outline of Annual Research Achievements

前頭皮質局所サブネットワーク形成の機能的意義の理解と、前頭皮質固有の回路則の解明を目指して、以下の実験・解析を進めている。
(1) 大規模シナプス結合解析を目指した光顕・走査型電顕相関解析: 従来の電顕によるシナプス構造同定を局所回路解析までに拡張するために、テープ自動回収型連続切片切削装置(ATUMtome)-走査型電顕(SEM)システムを導入した。走査型電顕によるシナプス同定に適した組織処理法を更に改善した結果、興奮性シナプスに比べて同定しにくい、抑制性対称型シナプスの微細構造の解析も十分可能になった。新規テープ・組織処理法がマルチチャネル走査型電顕の観察にも有用であることも示した。
(2) 皮質線条体投射特異性を導入した報酬予測誤差計算モデルの構築: 動物は過去の行動評価と現在の状況に基づいて適切な行動を選択する。大脳基底核が選択した行動の期待値、それによって得た報酬、次の行動で期待される有用性という、異なる時期の価値を合わせて報酬予測誤差を計算することが考えられる。私たちは以前に、前頭皮質にある二種類の錐体細胞、終脳内投射細胞と錐体路細胞から線条体への入力がこの時間差誤差計算に使われるモデルを提案した。今年度の共同研究によって、基底核の直接路細胞が高報酬を示唆する予告感覚刺激に反応する一方、間接路細胞は低報酬の予告刺激に応答し、別の行動への変更を促進することを見出した。これを説明するためにモデルを以下のように改訂した。終脳内投射細胞から直接路・間接路細胞への結合が、それぞれ、選択しようとする行動の有用性・不利益を、錐体路細胞から間接路細胞への結合が既に選択した行動価値を表す。これらが黒質網様部を通してドーパミン細胞に伝えられ、報酬予測誤差が計算される。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

新皮質局所サブネットワーク理解に必須である、走査型電顕によるシナプス回路解析に必要な超薄連続切片作成・電子密度染色・電顕像取り込み技術が進歩した。前頭皮質の基本局所回路を理解するために必要な皮質線条体投射回路モデルを改訂することができた。

Strategy for Future Research Activity

前頭皮質固有の回路則の解明のために、これまでに開発してきた走査型電顕技術を可能な範囲の大規模結合解析に適用する。線条体投射系などのシステム回路と局所興奮性・抑制性サブネットワークを統合的に理解するための機能構造相関解析を推進する。

  • Research Products

    (21 results)

All 2019 2018 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 5 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] A Dual Role Hypothesis of the Cortico-Basal-Ganglia Pathways: Opponency and Temporal Difference Through Dopamine and Adenosine2019

    • Author(s)
      Morita Kenji、Kawaguchi Yasuo
    • Journal Title

      Frontiers in Neural Circuits

      Volume: 12 Pages: 111

    • DOI

      10.3389/fncir.2018.00111

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Monitoring and Updating of Action Selection for Goal-Directed Behavior through the Striatal Direct and Indirect Pathways2018

    • Author(s)
      Nonomura Satoshi、Nishizawa Kayo、Sakai Yutaka、Kawaguchi Yasuo、Kato Shigeki、Uchigashima Motokazu、Watanabe Masahiko、Yamanaka Ko、Enomoto Kazuki、Chiken Satomi、Sano Hiromi、Soma Shogo、Yoshida Junichi、Samejima Kazuyuki、Ogawa Masaaki、Kobayashi Kazuto、Nambu Atsushi、Isomura Yoshikazu、Kimura Minoru
    • Journal Title

      Neuron

      Volume: 99 Pages: 1302~1314

    • DOI

      10.1016/j.neuron.2018.08.002

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Thalamocortical Axonal Activity in Motor Cortex Exhibits Layer-Specific Dynamics during Motor Learning2018

    • Author(s)
      Tanaka Yasuyo H.、Tanaka Yasuhiro R.、Kondo Masashi、Terada Shin-Ichiro、Kawaguchi Yasuo、Matsuzaki Masanori
    • Journal Title

      Neuron

      Volume: 100 Pages: 244~258

    • DOI

      10.1016/j.neuron.2018.08.016

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] New neurons use Slit-Robo signaling to migrate through the glial meshwork and approach a lesion for functional regeneration2018

    • Author(s)
      Kaneko N.、Herranz-Perez V.、Otsuka T.、Sano H.、Ohno N.、Omata T.、Nguyen H. B.、Thai T. Q.、Nambu A.、Kawaguchi Y.、Garcia-Verdugo J. M.、Sawamoto K.
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 4 Pages: eaav0618

    • DOI

      10.1126/sciadv.aav0618

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Large Volume Electron Microscopy and Neural Microcircuit Analysis2018

    • Author(s)
      Kubota Yoshiyuki、Sohn Jaerin、Kawaguchi Yasuo
    • Journal Title

      Frontiers in Neural Circuits

      Volume: 12 Pages: 98

    • DOI

      10.3389/fncir.2018.00098

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 電子顕微鏡を使った革新的脳組織解析法 ― コネクトーム研究2018

    • Author(s)
      窪田芳之, 川口泰雄
    • Journal Title

      実験医学

      Volume: 36 Pages: 158-164

  • [Presentation] Sublayer- dependent inhibitory-excitatory connections in the layer 5 of rat frontal cortex2019

    • Author(s)
      Morishima M, Kawaguchi Y
    • Organizer
      第8回生理研-霊長研-新潟脳研合同シンポジウム
  • [Presentation] Sublayer- dependent inhibitory-excitatory connections in the layer 5 of rat frontal cortex2019

    • Author(s)
      Morishima M, Kawaguchi Y
    • Organizer
      The 9th BRI International Symposium
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Thalamo-cortical target analysis in cortical motor cortex using large volume electron microscopy2019

    • Author(s)
      Kubota Y, Sohn J, Kuramoto E, Kawaguchi Y
    • Organizer
      第124回日本解剖学会総会・全国学術集会
    • Invited
  • [Presentation] Large volume electron microscopy and neural microcircuitanalysis2019

    • Author(s)
      Kubota Y, Sohn J, Kawaguchi Y
    • Organizer
      9th FAOPS
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Layer 5 sublayer-dependent excitatory-inhibitory connections in the rat frontal cortex2019

    • Author(s)
      Morishima M, Kawaguchi Y
    • Organizer
      9th FAOPS
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Thalamocortical axon activity in motor cortex exhibits layer-specific dynamics during motor learning2019

    • Author(s)
      Tanaka YR, Tanaka YH, Kondo M, Terada S, Kawaguchi Y, Matsuzaki M
    • Organizer
      9th FAOPS
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Sublayer-dependent interaction between GABAergic and pyramidal cells in layer 5 of the rat frontal cortex2018

    • Author(s)
      Morishima M, Kawaguchi Y
    • Organizer
      第10回光操作研究会・第2回脳情報動態合同国際シンポジウム
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Layer 5a and 5b dependent inhibitory connections in the rat frontal cortex2018

    • Author(s)
      Morishima M, Kawaguchi Y
    • Organizer
      第41回日本神経科学大会
  • [Presentation] Emerging dynamics of thalamocortical ensemble activity through learning of self-initiated lever pull2018

    • Author(s)
      Tanaka YH, Tanaka YR, Kondo M, Terada S, Kawaguchi Y, Matsuzaki M
    • Organizer
      第41回日本神経科学大会
  • [Presentation] SemaphorinA6 on radial glia cell and PlexinA2/A4 on neuron are required for proper positioning of superficial layer neurons in the cerebral cortex2018

    • Author(s)
      Hatanaka Y, Kawasaki T, KohnoT, Hattori M, Sakakibara A, Kawaguchi Y, Hirata T
    • Organizer
      第41回日本神経科学大会
  • [Presentation] Identification of indirect pathway neurons and dopaminergic innervation in the rat dorsomedial striatum2018

    • Author(s)
      Nonomura S, Kato S, Iguchi Y, Nishizawa K, Sakai Y, Kawaguchi Y, Nambu A, Watanabe M, Kobayashi K, Isomura Y, Kimura M
    • Organizer
      第41回日本神経科学大会
  • [Presentation] Cortical neuron types and their synaptic connections2018

    • Author(s)
      Kawaguchi Y
    • Organizer
      第41回日本神経科学大会
    • Invited
  • [Presentation] 新皮質パルブアルブミン細胞とソマトスタチン細胞のシナプス構築2018

    • Author(s)
      川口泰雄
    • Organizer
      第8回名古屋大学医学系研究科・生理学研究所合同シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] A carbon nanotube tape for serial-section electron microscopy of brain ultrastructure2018

    • Author(s)
      Kubota Y, Sohn J, Kawaguchi Y
    • Organizer
      第8回名古屋大学医学系研究科・生理学研究所合同シンポジウム
  • [Remarks] 生理学研究所大脳神経回路論研究部門

    • URL

      http://www.nips.ac.jp/circuit/

URL: 

Published: 2021-01-27  

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