2021 Fiscal Year Annual Research Report
Mechanisms underlying Information processing in idling brain
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18H05213
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| Research Institution | University of Toyama |
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Principal Investigator |
井ノ口 馨 富山大学, 学術研究部医学系, 教授 (20318827)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
深井 朋樹 沖縄科学技術大学院大学, 神経情報・脳計算ユニット, 教授 (40218871)
高雄 啓三 富山大学, 学術研究部医学系, 教授 (80420397)
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| Project Period (FY) |
2018-04-23 – 2023-03-31
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| Keywords | 神経科学 / アイドリング脳 / 記憶エングラム / 睡眠 / リプレイ / 潜在意識 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．①マウス推論課題における前頭前野の神経活動を測定し、PCA-ICA法で神経細胞活動を解析した。正しい推論をしたときに出現する同期活動細胞アンサンブルは、学習中には認められず、学習後の睡眠時に出現してきた。ノンレム睡眠とレム睡眠中のアンサンブル活動には相違が認められ、アイドリング中の推論形成過程において両睡眠が異なる機能を果たすメカニズムを反映していると推察され、推論などの高次脳機能における両睡眠の役割分担を解明する手がかりになると期待できる。②海馬サイレントエングラムがその後の類似体験の記憶増強を引き起こすこと、増強には睡眠中のサイレントエングラム細胞の活動が重要であったことから、アイドリング脳の新たな機能が明らかとなった。③海馬CA1のノンエングラム細胞には、学習直後の睡眠時にアンサンブル活動としてプレプレイし始めて、将来の類似体験のエングラム細胞アンサンブルを形成する細胞群（engram-to-be細胞）が存在することを見いだした。④社会性威圧（social defeat: SoD）を受けてストレス状態の雄マウスでは、恐怖記憶の保存・想起の上昇が認められた。海馬CA1におけるSoD記憶のエングラム細胞が恐怖記憶の亢進に関わっていた。恐怖記憶のエングラム細胞アンサンブルが、SoD時や恐怖条件付け直後の睡眠時に出現しており、脳のネガティブな内部状態を表現するアンサンブル活動が、ネガティブ体験の記憶の亢進に関わっていることが示唆された。
２．時間空間情報に含まれる意味のあるまとまりをセグメント化するための神経メカニズムを考案した。この結果をさらに発展させ、神経回路の自発発火が入力刺激の事前確率モデルを表現するようになるための回路学習メカニズムを考案した。
３．バイオフィードバックによりマウスに遅い呼吸をさせるよう訓練したマウスは、社会的なアプローチ行動が増加した。
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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
１．アイドリング脳の活動と機能： 本研究の目的は、「アイドリング中の脳機能と脳活動を明らかにすることで、覚醒時を含めた脳機能全体の中でのアイドリング脳活動が占める位置づけを明確にすること」である。現在までに、①推論・共通性抽出・スキーマ・論理的意思決定などの高次の情報処理過程において、学習後のアイドリング脳活動が重要な働きをしていることを示すとともに、その時に重要な神経細胞の活動を明らかにした。それらの知見に加えて、アイドリング脳の新たな機能として、② engram -to-be細胞を発見し、将来の記憶エングラム細胞の生成にアイドリング脳活動が関与することを示し、③睡眠中のサイレントエングラム活動が、将来の類似体験の記憶増強に必要であることを発見した。このように当初の目標に向けて研究は順調に進捗しており、アイドリング脳研究という新たな学術分野の創成への展望が拓けてきた。
２．数理モデル： 自発発火が記憶や推論において果たす役割の中で、内部モデルの形成過程は実験的にも理論的にも理解が進んでいない。本年度の成果により、連続的な入力情報から統計的に頻出するパターンを自動的に検出し、それらのパターンを経験した確率で繰り返す自発発火を有する神経回路モデルの構築が可能になった。これにより、脳が階層的内部モデルを構築する過程の理解が進むことが期待される。このように研究は順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は研究期間中に得られる成果を基にして、脳機能の中でアイドリング脳活動が占める位置づけを明確にすることことと、研究成果を複数の原著論文としてまとめる。具体的には以下の研究を進める。
１．アイドリング脳の活動と機能： 「推論」、「論理的意思決定」について、in vivoカルシウムイメージングデータの数理解析を続行し、アイドリング時の神経細胞集団の活動がどのように生成されてくるのかを明らかにする。また、engram-to-be細胞群の活動を手がかりにして、アイドリング状態が過去の経験と将来の経験に対して果たす役割を考察する。情動などの内部状態を表現するアイドリング中の神経活動が、その後の経験にどのような影響を与えるのかを解析すると共に、そのメカニズムを解明する。5年間の結果を総括し、アイドリング中の脳活動と顕在意識上の脳活動がどのように相互作用し、かつ機能分担して複雑な脳機能を担っているのかを考察する。
２．数理モデル： 提案した学習モデルは数学的な完成度は高いが生物学的な現実性が乏しい。そこで神経生理学的知見と整合性が高い学習メカニズムを探る。提案したモデルの改良や、実験で得た海馬や大脳皮質の神経活動の解析を通して、脳が推論課題等を解くメカニズムと自発発火の役割をモデル化する。
３．瞑想モデル： 遅い呼吸を訓練したモデルマウスで誘導される情動行動の変化はアイドリング脳に影響を与えたものと考えられるため、この時に活性化し、行動変化に重要と考えられる脳部位を特定する。
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[Journal Article] Perturbation of monoamine metabolism and enhanced fear responses in mice defective in the regeneration of tetrahydrobiopterin2022
Author(s)
Miyajima K, Sudo Y, Sanechika S, Hara Y, Horiguchi M, Xu F, Suzuki M, Hara S, Tanda K, Inoue KI, Takada M, Yoshioka N, Takebayashi H, Mori-Kojima M, Sugimoto M, Sumi-Ichinose C, Kondo K, Takao K, Miyakawa T, Ichinose H.
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Journal Title
Journal of Neurochemistry
Volume: 161
Pages: 129～145
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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