2020 Fiscal Year Research-status Report
情動記憶形成過程における脳内情報処理機構の時空間的変遷
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18K06536
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| Research Institution | National Institute for Physiological Sciences |
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Principal Investigator |
揚妻 正和 生理学研究所, 基盤神経科学研究領域, 特任准教授 (30425607)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 二光子イメージング / population coding / 恐怖条件付け / 前頭前野 / 光遺伝学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大脳皮質内側前頭前野（mPFC）は「情動」の制御に重要であると考えられる。しかしながら、従来の技術的な制約もあって、特に行動中の動物から神経「集団」の活動を記録することで初めて調べられるような「神経群ネットワークとしての情報処理」に関する知見は、これまでのところ特にmPFCに関して非常に限定的である。本研究では、1) 2光子イメージングによる多数の神経活動の経時的観察、2)深部イメージング、3) それらと光遺伝学を「同時に」行うための光学系、を統合させた独自のシステムを用い、擬似自由行動中のマウスmPFCでの神経活動の「記録・操作」を進めていく。そしてそれら技術を利用して、情動記憶形成過程における脳内情報処理機構の時空間的変遷を把握し、その仕組みを理解することを目的としている。
これまでのところ、他の項目（現在までの進捗状況、今後の研究の推進方策）に記載するように、学習の前、最中、及び学習後の記憶想起中のマウスから、神経集団活動データの記録ができており、多くのデータを得た。さらに、数理学的なアプローチによりこれらの観測で得られたデータの解析を進めてきた。特に、恐怖記憶関連情報をコードする神経細胞群の検出成功し、さらに学習の過程や成立後における神経活動の変化など、記憶ネットワーク構築との関連が示唆されるいくつかの現象を検出している。
COVID19の影響で実験的な内容は延期とし、データ解析に注力し、数理学的な解析を集中的に進展させた。
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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
２光子神経活動イメージング技術により、多数の神経からの同時活動記録を行った。情動に関わるmPFCからのイメージングには、マイクロプリズムを利用した深部イメージング技術を用いた。正中に沿って滑り込ませることで、神経結合を切断することなく深部に到達できるため、低い侵襲性を担保することができた。遺伝子コード型センサーの導入により長期的に細胞を標識し、従来困難であった「同一の神経細胞における学習前後での神経活動パターンの比較」を実現した。実験は頭部固定中の擬似自由行動可能なマウスを用いて行い、恐怖条件付けという古典的な学習を行うマウスからの神経活動記録を進めることが出来た。
それらを用いることで、学習の前、最中、及び学習後の記憶想起中のマウスから、神経集団活動データの記録ができている。すでに多くのマウスからデータが得られており、昨年度より継続してこれらのデータの解析を進め、恐怖記憶と関連したアンサンブル（神経細胞集団としての活動）を検出した。さらに、これら検出されたアンサンブルについてその生理的意義や発生機序を検証した。学習の過程や成立後における変化に関しての数理解析に加え、「今後の研究の推進方策」に記載するように、光遺伝学を用いて直接的に因果関係を調べる準備も進めた。
COVID19の影響もあり、本年度はデータ解析に集中して研究を進めた。次年度は光遺伝学を用いた検証など実験的な部分により注力して進める計画である。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、数理解析によるイメージングデータの解読を完了させ、脳内情報処理機構の時空間的変遷に関して論文化を進める。機械学習アルゴリズムに加え、近年開発されてきた他の様々な数理解析を組み合わせ、恐怖記憶回路構築における生理的背景を示す。
さらに、このようにして解析で検出した恐怖記憶の実態を元に、光遺伝学によるその精細な人工的再現により因果関係の解明へと展開する。光学系の構築は上述の通り概ね完了しており、その調整を進めつつも、解析が終わった段階で速やかに実際の検証実験に移行する。特に、これまでに我々は興奮性細胞をイメージングし、同時に抑制精細胞の活動を光遺伝学により操作する技術を用いてきたが、一方で因果性の検証には同じ興奮性細胞の活動観察と操作を同時に実現する必要がある。この際に、我々のみならず様々な研究室がその両立、すなわちセンサータンパク質とオプシンタンパク質の共発現効率の確保を模索してきている。これに対し、我々はシステマチックに様々な組み合わせを検証することで、系を最適化してきた。これらをもとに、本年度は光による人工的なパターン再生を行い、検出された特徴的神経活動の「記憶コード」への関与を直接的に調べていく計画である
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| Causes of Carryover |
COVID19の影響で実験的な内容は延期とし、データ解析に注力し、数理解析を集中的に進展させた。次年度はその代わりに、神経活動操作の為の光学技術の開発と検証を実施する。
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[Presentation] 光と数理による恐怖記憶における前頭前野情報処理機構の解明2021
Author(s)
1.Agetsuma M., Sato I., Tanaka Y., Kasai A., Arai Y., Yoshitomo M., Hashimoto H., Nabekura J., Nagai T.
Organizer
第98回日本生理学会大会 / 第126回日本解剖学会総会・全国学術集会 合同大会 シンポジウム「大脳皮質局所神経回路構築と学習記憶によるリモデリング」にて
Invited
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