2023 Fiscal Year Annual Research Report
Gene and cell function dynamics underlying behavioral adaptation in response to environments
| Project Area | Census-based biomechanism of circuit construction and transition for adaptive brain functions |
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| Project/Area Number |
21H05244
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| Research Institution | Fukushima Medical University |
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Principal Investigator |
小林 和人 福島県立医科大学, 医学部, 教授 (90211903)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
瀬戸川 将 大阪公立大学, 大学院医学研究科, 特任助教 (30760508)
松下 夏樹 愛知医科大学, 医学部, 准教授 (40271556)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Keywords | 刺激弁別学習 / 線条体 / 遺伝子発現 / 神経活動 / 機能操作 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
聴覚刺激に基づく弁別学習を獲得する際に、学習中期には前方の背外側線条体(aDLS)が、その後期には後方の腹側線条体(pVLS)の活動が亢進し、学習の進行のために両者の回路が時間空間的に統合される。学習獲得の過程で時期・領域特異的に発現する遺伝子を神経活動に基づくRNA-seq解析により特徴的な発現変動を示す遺伝子を同定し、それらの線条体内発現パターン、発現細胞種の構造的特性、遺伝子機能を解析する。また、学習の進行に重要な役割を果たす経路をウイルスベクターによる機能操作技術を用いて細胞レベルで解析する。これまで、郷班と連携し、ラットの異なる学習段階で、aDLSおよびpVLSにおいて発現変動を示す遺伝子群をRNAseq法により解析し、いくつかの候補遺伝子を見出してきた。これらの結果をより精度高く評価するために、同様の方法で切り出した脳切片のサンプルから単一細胞RNAseq法を行い、現在その結果の解析を進めている。また、学習の進行に重要な役割を果たす経路を細胞レベルで明らかにするために、aDLSおよびpVLSの出力系に関しては、選択的経路除去の実験から学習の獲得過程には直接路が重要な役割を持ち、間接路は関与しないことを見出した。今後、化学遺伝学抑制を行い、この結果を確認する予定である。また、入力経路については、選択的経路除去の実験からaDLSへは視床束傍核からの入力が必須の役割を持ち、pVLSへは前部島皮質からの入力が重要なことを見出した。これらについても、今後化学遺伝学抑制により確認を行う予定である。さらに黒質ドーパミン入力の役割を調べるために、aDLSとpVLSに投射するドーパミン細胞の局在を逆行性トレーサー標識により解析し、黒質の異なる領域から入力のあることを確認した。現在、両者の黒質線条体路を6-OHDAを用いて破壊し、学習獲得における役割の行動解析を開始した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
聴覚弁別学習を獲得する過程で時期・領域特異的に発現変動する遺伝子の同定において、郷班と連携し、単一細胞RNAseqを行うことができた。また、学習の進行に重要な役割を果たす経路を細胞レベルで明らかにするために、aDLSおよびpVLSから投射する直接路と間接路の機能を経路選択的除去法により検討できた。また、学習の獲得過程に関わるaDLSとpVLSへ入力する経路の候補を見出すことに成功した。さらに、これらの経路と連絡するネットワークについて解析を開始することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
聴覚弁別学習を獲得する過程で時期・領域特異的に発現変動する遺伝子解析に関して、郷班との連携を進め、発現変動する遺伝子を探索する。バルクのRNAseq解析に引き続いて行った、単一細胞RNAseqの解析を進める。遺伝子発現プロファイルを解析し、線条体の細胞種ごとに発現変化する遺伝子群を同定するが、特に、これまでの行動解析の結果から学習の獲得には直接路が重要なことが明らかになってきたため、直接路細胞（ドーパミンD1受容体、サブスタンスP前駆体などがマーカーとなる）に焦点を絞って発現変動を示す遺伝子群の探索を進める。また、学習の進行に重要な役割を果たすネットワークを明らかにするために、第一に、aDLSから出力する直接路に焦点をあて、そこからの投射先を同定する。順行性に標識される領域について、線条体にAAV1-Creベクターを注入し、神経終末からのベクターの輸送を介して、2次ニューロンにCreを発現させた。この領域にCre-loxP組み換え依存性にGFPを発現するベクターを注入し、2次ニューロンの投射先を解析する。また、pVLSに投射し、学習に重要な前部島皮質へ入力する経路を明らかにするために、ここに逆行性ベクターを注入し、投射先領域を解析する。第二に、経路の機能を解析するために、aDLSから出力する直接路、aDLSへ投射する束傍核、pVLSへ投射する前部島皮質の役割を化学遺伝学により抑制することによって弁別学習の獲得に与える影響を確認する。
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[Presentation] Integration of Reward Expectation and Action Selection in the Nigrostriatal System2023
Author(s)
Alain Rios, Satoshi Nonomura, Shigeki Kato, Junichi Yoshida, Natsuki Matsushita, Atsushi Nambu, Masahiko Takada, Riichiro Hira, Kazuto Kobayashi, Yutaka Sakai, Minoru Kimura, Yoshikazu Isomura
Organizer
第43回日本神経科学会
