仮想現実空間を用いた体性感覚弁別学習における大脳皮質フィードバック回路の機能解明

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14J07930
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 太田 桂輔 国立研究開発法人理化学研究所, 脳科学総合研究センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Keywords: 一次体性感覚野 / 体性感覚検出課題 / オペラント条件づけ / 抑制性神経細胞 / 細胞外記録

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、マウス後肢脳領域に対応した一次体性感覚野へのトップダウン入力をもたらす回路の機能的役割を明らかにすることが目的である。本研究課題の二年目にあたる本年度は以下の①と②を実施した。
①マウスの行動課題　マウスの脳を固定した状態で体性感覚刺激の弁別課題を実行した。マウスにとって検出できる最小足刺激強度を明らかにするために、足刺激強度と正答率の関係性（心理応答曲線）を求めた。心理応答曲線を求める実験中でもマウスの成績は安定しており、刺激強度を高めるほど正答率が上昇する結果を得た。これは足刺激強度を変化させることで課題の難易度を調節できることを示す。また、刺激強度と反応時間の関係も求めた。足刺激強度が弱いと刺激に対する反応時間が遅くなるという結果を得た。
②抑制入力によるS1神経活動の修飾　本研究で注目する一次体性感覚野へフィードバック入力を与える脳部位として前脳基底部の抑制性ニューロンに注目した。VGAT-cre マウスの前脳基底部に AAV-Flex-ChR2 を注入し、前脳基底部の抑制性ニューロンのみに光活性化タンパク質 ChR2 を発現させた。一次体性感覚野から細胞外記録を行い、同時に前脳基底部の抑制性ニューロンの軸索を光刺激で活性化させた。光刺激は記録部位（一次体性感覚野）で行った。 一次体性感覚野において神経活動が抑制される神経細胞だけでなく、興奮する神経細胞も観察された。これは脱抑制による神経活動上昇を示唆する。更に一次体性感覚野に逆行性トレーサーであるFastblueを打ち、前脳基底部の抑制性ニューロンが標識されることも確かめた。一方、前脳基底部の抑制性ニューロンが一次体性感覚野の深層に投射することも確認した。これらの結果は前脳基底部 抑制性ニューロンが一次体性感覚野の神経活動を修飾（興奮または抑制）することを示している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

行動課題をよりマウスが体性感覚を検出する刺激条件を詳細に調べ、刺激強度と反応の関係を調べたため。また、注目すべき神経回路を形態学実験と生理学実験により同定したため。

Strategy for Future Research Activity

①前脳基底部の抑制性細胞が体性感覚の弁別課題に必要であるかを光遺伝学的手法を用いて明らかにする。遺伝子改変マウス(VGAT-cre, PV-cre, Sst-cre mouse)の前脳基底部にAAV-Flex-ChR2またはAAV-Flex-Archを打ち、行動課題中マウスの一次体性感覚野を光照射する。これにより前脳基底部抑制性神経細胞から一次体性感覚野への入力を制御（興奮または抑制）する。この光照射によってマウスの成績がどのように変化するかを明らかにする。②行動課題中のマウスの前脳基底部と一次体性感覚野から細胞外記録を行う。このとき光遺伝学手法を用いて記録神経細胞の細胞種同定を行う。記録データに基づいて、一次体性感覚の局所フィールド電位の評価、前脳基底部の神経活動と一次体性感覚の神経活動の相関・因果関係を推定する。さらに一次体性感覚野神経細胞から細胞内記録を行う。

Research Products

• [Journal Article] A Top-Down Cortical Circuit for Accurate Sensory Perception (2015)
  • Author(s): Takayuki Suzuki, Chihiro Homma, Takashi Matsumoto, Maya Odagawa, Kazuyuki Yamada, Keisuke Ota, Chie Matsubara, Ayumu Inutsuka, Masaaki Sato, Masamichi Ohkura, Akihiro Yamanaka, Yuchio Yanagawa, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi, Matthew E. Larkum, Masanori Murayama
  • Journal Title: Neuron Volume: 86 Pages: 1304–1316
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.neuron.2015.05.006
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research