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公募研究

脳内エピジェネティクス変化による運動パターン学習と維持メカニズムの解明

代表者
北海道大学・理学研究院
和多 和宏

学習・記憶形成には、受動的に刺激を一方的に受けるのではなく、自らが「自発的に活動を起こすこと」が重要な要素である。このとき、個体発達のどの時期に、どれだけの時間を学習活動に費やしたのか、それをどのような頻度で行ったのか、さらにどれだけの目標を達成できたのか、これらの「学習活動の質と量」を脳内に留めておく神経メカニズムが存在すると考えられる。

本研究では、鳴禽類ソングバードの発声学習を学習行動モデルとして、「自ら声を出す」という自発的行動が、その学習臨界期中の脳内遺伝子発現動態にどのような影響を与えるのか、行動依存的エピジェネティクス制御の観点から研究を行う。我々のこれまでの研究で、「発声行動依存性」かつ「学習臨界期時期限定性」制御を受ける神経可塑性関連遺伝子群の存在を明らかにしてきた。またこれら遺伝子群にエピジェネティクス制御遺伝子群が多く含まれること明らかにしてきた。これらの現象は、歌学習・生成に関わる神経回路全体で起こっているのではなく、皮質-基底核-視床経路と運動制御経路の2つの神経回路情報を統合する歌神経核RAに限局して観察された。歌神経核RAは哺乳類運動皮質5層に相当し、長期抑圧が学習臨界期特異的に起こる。これらの結果を踏まえ、脳内エピジェネティクス状態を制御することで、学習発達期特異的な遺伝子発現・神経細胞形態変化を人為的に誘導し、それらがいかに運動パターン学習と維持に関わっているのか、脳内エピジェネティクス制御メカニズムを運動学習臨界期形成との関係を明らかにしていく。

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レム睡眠の操作が可能なマウスを用いた睡眠の質が記憶に及ぼす影響の解明

代表者
筑波大学・国際統合睡眠医科学研究機構
林 悠

哺乳類の睡眠はレム(急速眼球運動)睡眠とノンレム睡眠から成る。レム睡眠中は神経活動が高まり夢を生じることから、記憶学習の関与が提唱されてきたが、決定的な証拠はない。その主な理由は、レム睡眠を選択的かつストレスなく阻害する方法がなかったことにある。私たちはレム・ノンレム睡眠の切り替えを司る細胞群の同定に成功し、レム睡眠の遺伝学的な操作が可能なマウスを作製した。このような手法によるレム睡眠の阻害実験は、従来と根本的に異なる画期的なものであり、この点を活かし、レム睡眠が徐波(神経可塑性に重要とされる脳活動)の制御に関わることを見出した。

この成果および、これまでの徐波と神経可塑性に関する知見を踏まえると、レム睡眠は、ノンレム睡眠中の徐波の誘導を介して、記憶学習に貢献すると期待される。この仮説を実際に検証する上でも、私たちが開発した、レム睡眠制御細胞に着目した睡眠の操作技術は、非常に有効であると期待される。そこで本研究では、従来よりさらに高効率のレム睡眠操作マウスを開発し、様々な記憶学習実験に適用する。さらには、加齢や神経疾患に伴う記憶学習能力の低下に対して、レム睡眠の操作が与える影響についても明らかにする。

 

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老化に伴う代謝恒常性の破綻による記憶低下機構の解明

代表者
千葉大学大学院薬学研究院
殿城 亜矢子

学習や記憶機能は、加齢にともなって低下する。本研究提案では、加齢にともなう生体内の代謝機能の低下が記憶機能に与える影響を明らかにし、加齢性記憶低下の原因を理解することを目的とする。 記憶の形成機構やインスリンシグナルによる代謝制御機構は種を超えて保存されている。本研究では、ハエ嗅覚記憶をモデル系として用いて、 老化による代謝機構の低下を環境的あるいは遺伝学的に操作し、神経・分子ネットワークに与える影響を評価することで、加齢性記憶低下のメカニズムを明らかにする。 上記目的のため、以下の計画研究を行う。

①生体内の代謝恒常性の変化が記憶形成に与える影響の解析
生体内の代謝を変化させた個体においてハエ嗅覚記憶の行動解析を行い、記憶形成に与える影響を明らかにする。
②加齢にともなう代謝恒常性の変化が記憶機能の低下に与える影響の解析
加齢にともなう代謝機能の低下を遺伝学的操作により改善し、老齢個体における記憶低下に与える影響を、ハエ嗅覚記憶の行動解析により明らかにする。
③生体内の代謝恒常性の変化が影響する嗅覚記憶神経系の同定
ハエ嗅覚記憶で形成される記憶痕跡をカルシウムイメージングにより可視化する手法を用いて、生体内の代謝機能を変化させた個体における記憶痕跡を評価する。
④ 生体内の代謝恒常性の変化が影響する分子ネットワークの同定
生体内の代謝変化によって、脳内あるいは特定の神経細胞群の遺伝子プロファイリングが変化している可能性を考え、発現変化する分子ネットワークをトランスクリプトーム解析により同定する。

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匂い学習記憶を支える嗅覚系の多領域ネットワーク機能の解析

代表者
高知大学・医学部
山口 正洋

嗅覚系は、食べ物の探索・摂取、捕食者からの逃避など、動物の根源的な行動を支えており、日々変わる匂い環境に対して適切な行動をとるために、嗅覚系の学習記憶は極めて重要である。嗅覚神経回路は成体でも新しいニューロンが生まれるなど非常に高い可塑性を有しているが、神経回路がどのように機能的な可塑的変化をおこし、嗅覚行動の学習記憶を支えているかは全く不明である。

これまでに私共は、嗅覚神経回路の可塑的変化が動物の覚醒睡眠サイクルに基づいた領域間相互作用によって起こることを見出してきた。覚醒時の嗅覚タスク中には学習に応じて嗅球と嗅皮質(梨状皮質)の領域間相互作用が強化され、タスク後の睡眠中には嗅皮質(梨状皮質)から嗅球への中枢性入力が促進される。また、嗅球で新しく生まれる神経細胞の組み込み・排除の選別は覚醒中の末梢からの匂い入力と睡眠中の嗅皮質からの中枢性入力による領域間相互作用に基づいている。さらに嗅覚学習は情動・モチベーションを強く誘起する特性があり、嗅皮質の一領域(嗅結節)には匂いの連合学習による情動・モチベーション行動時に活性化する機能ドメインが存在する。

本研究は以上をふまえ、嗅覚学習記憶の形成機構を、嗅球、嗅皮質(梨状皮質および嗅結節)の多領域ネットワーク機能、領域間相互作用の観点から明らかにする。その際、覚醒・睡眠サイクルに基づく相互作用、嗅球の新生ニューロンの役割、嗅結節機能ドメインを基盤とする情動応答の役割、を重要な切り口として検討する。

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観察と実体験を融合する神経回路の解明

代表者
北海道大学・大学院薬学研究院
野村 洋

私たちは自分で実際に体験すると共に他者の行動を観察し、観察と実体験を組み合わせて様々な学習をする。暴力的な大人を見た幼児は攻撃的になりやすい。他者がストローを使う様子を見たチンパンジーは、ストローを吸う行為を早く習得する。「親の背を見て子は育つ」と言うように、子供は親の行動を観察し、その後、自ら体験して学ぶ。事前の観察は、実体験による記憶形成に大きな影響を与える。観察学習に関する行動学的研究は存在するが、その神経回路についての研究は乏しい。特に、観察と実体験を統合する神経回路に関する研究はほとんど行われていない。私たちはこれまでに、実体験の記憶が細胞集団によって符号化される様子を明らかにしてきた。こうした概念に基づいて、観察と実体験の情報はある脳領域の一部の細胞集団に収束し、この収束によって実体験の記憶形成が増強すると考えた。本研究では特にこの仮説を検証する。主に自由行動下マウスの脳からのカルシウムイメージングを用いて、神経活動パターンの詳細を調べる。さらに特定のタイミングで活動したニューロンをオプトジェネティクス法によって操作し、行動と神経活動の関係を明らかにする。一連の研究を通じて、観察と実体験を融合する神経回路メカニズムを明らかにする。

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CREB-Arcシグナル活性化による長期記憶制御機構の解明

代表者
東京大学・大学院医学系研究科
尾藤 晴彦

神経伝達物質受容に引き続くシナプス電位の変化は、神経細胞内で電気的シグナルとカルシウム流入などを引き金とする化学的シグナルの両者を生成する。カルシウムシグナルは、シナプス可塑性を引き起こす原動力となるのみならず、CaMKK-CaMKIV リン酸化カスケードを介したシナプスから核へのシグナリングの基盤をなす。この結果、長期記憶の素過程の一つであるCREBリン酸化の時空間的ダイナミクスを制御するというcellular consolidation のメカニズムを我々はこれまで解き明かしてきた。本研究では、その下流に位置するArc遺伝子発現の生理的意義解明を進めることにより、「ポストシナプスNMDA 受容体=>Ca2+ 流入=> CaMK 活性化=> CREB リン酸化=> Arc転写誘導=> Arc 産物のポストシナプスターゲティング」という情報フローの意義を、生きたマウス個体脳で解明する。加えて、活動依存的プロモーターを活用した活性化エングラムのライブイメージングを実施する。このような研究を通じ、CREB-Arc 活性化が引き起こす広範な神経ネットワークダイナミクスの時空間的特性を解明し、長期記憶に対する役割を解明する。

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多重解像度カルシウムイメージングデータの解析手法の確立とその応用

研究代表者
東京工業大学・情報理工学院
青西 亨

神経科学の分野において、カルシウムイメージングは多細胞の活動を同時記録する重要な手法の一つである。近年、二光子顕微鏡などの計測装置の急激な発展により、広視野から約1000個の細胞活動を長時間計測することが可能となった。このような計測装置の急速な進歩により、我々は巨大なデータをいかに解析するかという問題に直面するようになった。近年、このような大規模カルシウムイメージングデータから、機械学習の方法を用いて細胞を自動検出しようとする試みがある。我々は、深層学習などで近年注目を集めている多重解像度技術を用いた新型の細胞検出方法を開発する。非負値行列因子分解を多重解像度に拡張し、細胞検出の性能向上を目指す。また、「高フレームレート低空間解像度」と「低フレームレート高空間解像度」の解像度が異なる2つのデータから、高解像度の空間情報(形態)と時間情報(活動)を抽出する超解像技術を確立する。これにより、スキャン速度の制約により、空間と時間の両方の解像度を同時に上げることができない計測装置の「ジレンマ」の解消を目指す。

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幼児性健忘における歯状回成熟度の意義の解明

代表者
富山大学研究推進総合支援センター
高雄 啓三

記憶の転送・固定は、長期的で永続的な記憶の形成に必須のプロセスであり、人が人としての自己同一性を保ち、社会生活を営んでいくための脳機能の最重要な部分の1つである。 ヒトの幼児は短期的には記憶を保つことができるが、その後成長して大人になると3歳頃までのエピソードを思い出すことができない。これは「幼児性健忘 (infant amnesia)」と呼ばれるものであるが、 なぜ幼児期の記憶が失われてしまうのかについてはその詳細は明らかになっていない。代表者らはこれまでに160以上の異なる系統の遺伝子改変マウスに「網羅的テストバッテリー」を行うことによって、 各種の行動異常を示すマウスや精神・神経疾患などのモデルマウスを同定してきた。この中には精神疾患様の行動異常を示し、かつ海馬歯状回の神経細胞が未成熟な状態である「非成熟歯状回」を持つマウスが複数系統見つかっており、 これらのマウスでは共通して遠隔記憶が障害されている。このことから非成熟歯状回は遠隔記憶の障害に重要な役割を果たしている可能性が高いと考えられる。 また、神経細胞では過剰な神経活動が持続したときにシナプス入力を減らすホメオスタティック可塑性と呼ばれる現象が見られる。電気けいれん刺激により神経を過活動させることでホメオスタティックな可塑性が起こり、 海馬歯状回は脱成熟すると考えられる。本研究では、未成熟な歯状回が幼児性健忘を引き起こしているという仮説にもとづき、 神経細胞の活動を光遺伝学等の手法を用いて人為的に操作することで海馬歯状回の成熟度を双方向的に変化させ、遠隔記憶の欠落の一種である幼児性健忘における歯状回成熟度の意義を明らかにする。

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視床下部神経による積極的記憶消去のメカニズム解明

代表者
名古屋大学・環境医学研究所
山中 章弘

一生消えない記憶もあれば、何時しか失われていく記憶もある。しかし、この違いがどのようにして生じているのかよく分かっていない。我々は、脳が積極的に記憶を消去している証拠を見いだした。視床下部に存在するメラニン凝集ホルモン産生神経(MCH神経)は、元々魚類において同定された神経ペプチドであるが、幅広い生物において保存されている。MCH神経は長らく摂食行動に関わると考えられてきたが、近年の研究から睡眠覚醒調節への関与が注目されている。我々はMCH神経を活性化させるとレム睡眠が開始されること、MCH神経を特異的に脱落させたマウスは記憶力が向上することを見いだしている(図参照)。本研究では、このMCH神経による積極的記憶消去の脳内メカニズムついて光遺伝学、薬理遺伝学、電気生理学、行動薬理学的手法を用いた統合的解析によって明らかにすることを目的としている。

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線虫の温度走性を行動モデルとする記憶・学習の制御機構

代表者
名古屋大学・大学院理学研究科
森 郁恵

線虫が飼育温度を記憶し、温度勾配上でその温度付近に移動する行動(温度走性)を規定する神経回路では、AFD感覚細胞が温度情報の受容と温度の記憶素子として機能すること、下流の介在神経細胞AIY、AIZ、RIAが、AFDで記憶された温度と餌との連合学習を担っていることが示された(図1)。しかしながら、線虫は、記憶温度を頼りに記憶温度域に滞在するが、時間経過とともに飢餓状態が進行すると、過去の記憶温度をリセットし新しい餌場を求めて探索行動を開始する(図2)。本研究では、過去に餌の報酬があった飼育温度に滞在し続けるか、過去の温度記憶をリセットして新たな探索行動を開始するかを、意思決定のモデル系として、記憶に基づいた過去の情報と現在の環境情報を比較・照合して意思決定を行うメカニズムの解明を目指す(図3)。野生型線虫は、記憶に依存した行動から、約4時間後には探索行動へ遷移するのに対し、4時間経過しても記憶に頼った滞在行動を継続する変異体を単離したところ、GTPase(OLA-1)、doublecortin-like kinase(DCLK-1)が重要な役割をしていることが明らかになってきた(図2、図3)。そこで、ola-1dclk-1 遺伝子が機能する細胞を明らかにし、ola-1dclk-1 変異体のAIY、AIZ、RIA等の介在神経細胞について、温度変化に対する神経活動を、カルシウムイメージングにより明らかにする。また、これまでの研究により提唱された「OLA-1およびDCLK-1が CREB のリン酸化レベルを抑制し活性を負に制御することで、過去の飼育温度の記憶をリセットさせ、新たな探索行動へ向かわせる」というモデルを検証し、OLA-1、DCLK-1 を介したCREB制御による意思決定メカニズムを明らかにする。

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記憶の固定化、および書き換えに寄与する新規予測誤差神経の探求

代表者
京都大学・メディカルイノベーションセンター
平野 恭敬

動物は予測された結果と実際との間に乖離または誤差が生じると、実際に起きた事柄を学習し、記憶する。形成された記憶は新規遺伝子発現誘導により、長期的な記憶に固定化される。しかしながら、その過程での予測誤差の動作機序は不明な点が多く、また固定化された記憶の書き換えにも予測誤差が寄与すると考えられるが、記憶の書き換えにおける予測誤差の動作機序もまた不明である。私はショウジョウバエにおいて、予測誤差と相関して活動を変化させる神経群を見出し、その活性は学習そのものではなく、長期記憶固定化に重要な遺伝子発現誘導に関わることを示唆する結果を得た。本研究ではまず、1:予測誤差と相関する神経の動作機序を明らかにしたい。続いて記憶固定化における遺伝子発現パターンを追うことにより、2:予測誤差による新規遺伝子発現機序を解明することを目指す。最後に、3:記憶の書き換え時の予測誤差を示す神経群とその動作機序、および役割を解明する。本研究により、予測誤差と長期記憶の固定化、および書き換えについて、今後の新たな記憶研究の展開が期待できると考えている。

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記憶ダイナミズムをもらたす局所回路形成メカニズムの解析

代表者
大阪大学・大学院生命機能研究科
八木 健

記憶ダイナミズムは、脳における神経細胞の集団的活動によりもたらされている。この集団的活動の基盤には、個々の神経細胞がつくる複雑なネットワークの性質が関与することが示唆されている。 しかし、記憶ダイナミズムに関わる個々の神経細胞のつくる局所回路の性質を明らかにした例はほとんどない。私たちはこれまでに、 個々の神経細胞で異なる組み合わせで発現する細胞接着分子群であるクラスター型プロトカドヘリン(cPcdh)を同定し、この分子群が記憶に関わることを明らかにしてきた。 また、このcPcdh分子群が局所回路形成に関わることも明らかになってきた。これらの結果は、cPcdh遺伝子群が局所回路形成と記憶ダイナミズムに関与する可能性を強く示唆するものである。 そこで本研究では、個々の神経細胞でランダムに発現するcPcdh遺伝子群が形成する局所回路の性質と記憶ダイナミズムとの関連性を明らかにすることにより、記憶ダイナミズムを操作する新たな方法を開発する。 本研究は、神経細胞の集団的活動がどの様(How)に形成されるのかに迫る研究であり、これまでにない独創性の高い研究である。

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記憶ダイナミズムを操作する方法の開発

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個体記憶が異性の好みを生み出す神経動作原理の解明

代表者
岡山大学・大学院自然科学研究科
竹内 秀明

社会認知能力を持つ動物は、集団内の他メンバーを記憶•識別して、他者との社会関係を理解して、社会的な意思決定を行う。これまでは社会認知を介した意思決定に関わる高次脳機能の研究は主にヒトを対象にして進められているが、近年になってグッピーやシクリッド、さらに分子遺伝学のモデル生物であるメダカも個体認知能力を持つことが明らかになった。メダカのメスの配偶者選択において、性成熟したメスメダカは前から見ていたオスを視覚記憶して、「見ていたオス」を配偶相手として積極的に受け入れ、「見ていなかった」オスを拒絶する傾向がある。このことから、オスとの社会関係(相手を視覚記憶しているか否か)が、メスの配偶相手の受入れ・拒絶の意思決定に影響を与える。また配偶者選択の意思決定において、中枢神経モジュレーターであるGnRH3ニューロンが中心的な役割を持っている。しかし、魚類の個体認知能力に関わる神経機構は全く不明であり、さらに記憶・学習に関わる神経機構とGnRH3ニューロンとの関係も完全なブラックボックスである。そこで、本研究ではメダカの個体認知に必要な脳領域を検索し、さらに同定した脳領域とGnRH3ニューロンを繋ぐ神経回路を検索することで、個体認知から意思決定に至る神経ネットワークを解明することを目的とする。

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AMPA型グルタミン酸受容体の糖鎖修飾による新たなシナプス可塑性の動作原理

代表者
宮崎大学・医学部・統合生理
高宮 考悟

グルタミン酸は、中枢神経系において主な興奮性神経伝達物質であり、シナプス前部より放出される。その受容体であるシナプス後部におけるグルタミン酸受容体は、記憶などを含む多くの神経活動で重要な役割を果たしている。そのなかでもAMPA 型グルタミン酸受容体(AMPA-R)は、主たる興奮性神経伝達物質の受容体としてだけではなく、シナプス可塑性の発現においても中心的役割を果たしている。これまでにAMPA-Rと細胞内や膜上で結合する分子群が発見され、それらがシナプス可塑性の制御を行っていることが多数報告されてきた。しかしながらAMPA-R の細胞外からの制御機構に関しては未知の部分が多い。本研究では、このAMPA-R の細胞外の N 型糖鎖修飾に着目し、受容体タンパク質の糖鎖修飾による神経伝達とシナプス可塑性への制御機構を明らかとする。これまで、糖鎖修飾されないとGluA1 が脂質ラフトに局在し、脱感作現象が消失しチャンネル活性が大きく変化し、さらに同一神経細胞に脂質ラフト陽性のシナプスと陰性のシナプスが存在することがわかった。これらより“糖鎖修飾の有無によってAMPA-R の局在がコントロールされ、個々のシナプス強度が変化する”という新たなメカニズムでシナプス可塑性が制御されているのではないかという結果を得ている。従って本研究では、AMPA-Rの糖鎖修飾による新たなシナプス可塑性の動作原理を提唱しそれが記憶・学習とどのように関連するのかを明らかとする。

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記憶ダイナミズムを操作する方法の開発

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学習前の神経回路の操作を可能にする革新的光学技術の開発

代表者
横浜市立大学医学部生理学
竹本 研

学習記憶の分子システムを解明する場合、分子機能を可視化するだけでなく、因果関係を証明するための「操作する技術」が重要である。本研究では、世界に先駆けて「学習前の神経回路の構造は、その後の学習の効率にどう影響するか?」をシナプスレベルで解明することを目指し、革新的な光学ツールを開発する。そのために本研究では、学習前からシナプスに存在する神経伝達物質受容体を光で不活性化する手法の開発を行う。私はこれまでに、エオシンを光増感剤に用いたCALI(chromophore assisted light inactivation)法を開発し、従来よりも高効率に光でタンパク質機能を破壊する技術の開発に成功した(Takemoto et al. ACS.Chem.Biol. 2011)。さらにこの手法を応用し、学習に伴いシナプス移行するAMPA受容体GluA1を光照射依存的に機能破壊する技術を開発し、in vivoで海馬記憶を消去することに成功している。本研究ではこの技術をさらに発展させ、学習前からシナプスに存在する神経伝達物質受容体の細胞外ドメインを認識する特異的抗体を取得し、CALI法によりacuteかつ特異的に機能破壊する新技術を開発する。さらに海馬培養スライスにおいて本技術を単一スパイン操作に適応し、LTPにおける既存のスパイン群の機能を時空間的に解明する。本研究で行う革新的技術開発は、「効率よく学習するために神経回路をどのように準備する必要があるか?」の解明につながるものであり、将来的には神経疾患等における学習能力低下の予防に対し、有効な知見を得ることが期待できる。

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生後発達に伴う運動記憶ダイナミズムの解明と制御

代表者
慶應義塾大学・医学部・生理学教室
掛川 渉

記憶や学習を担う分子機構は一生涯を通じて変化する。この生後発達に伴う記憶・学習機構の変化は、ショウジョウバエや線虫をはじめとする小型モデル生物や、種々の遺伝子改変マウスを用いて精力的に研究されている。しかし、マウスなどの脊椎動物の場合、記憶・学習を担う神経回路が複雑で多岐にわたるため、その仕組みは十分に分かっていない。

  記憶をささえる分子として、これまでにD-セリンが注目されている。D-セリンは、イオンチャネル型グルタミン酸受容体メンバーであるNMDA型グルタミン酸受容体に作用し、記憶・学習の分子基盤とされるシナプス可塑性を誘導することが知られている。しかし、我々は、運動記憶・学習をささえる小脳において、D-セリンがデルタ2型グルタミン酸受容体 (デルタ2受容体) に結合し、シナプス可塑性のひとつである長期抑圧 (long-term depression; LTD) や、小脳に依存した運動記憶・学習を制御することを明らかにした (Kakegawa et al., Nat Neurosci, '11)。興味深いことに、脳内のD-セリンは常に合成されているものの、成熟後の小脳ではD-セリンを分解するD-アミノ酸分解酵素の発現増加に伴い、D-セリンはほとんど存在しない。このユニークかつ劇的な小脳D-セリン量変化は、生後発達に伴う運動記憶・学習ダイナミズムをささえる大きな要因のひとつであると推察される。そこで本研究では、この新規D-セリンシグナリングの分子機構を解明し、そして、制御することにより、「記憶・学習ダイナミズム」の本質的理解にせまる。

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視覚記憶想起を支える脳内ネットワークの研究

代表者
順天堂大学・医学研究科
竹田 真己

「我々はどのようにして、ものを思い出すのだろうか」この問いは、古くから哲学者の関心を引いてきた問いであり、また、近年では複雑な情報処理を担う脳の作動原理に迫ろうとする神経科学研究者によって精力的に研究されてきた。これまで、記憶課題遂行中のサルの電気生理学的実験(図1A)により、下部側頭葉のニューロン群が視覚性記憶想起に重要な役割を果たしていることが明らかにされている。しかし、これらニューロン群がどのように回路を構成し他の脳領域と機能連絡しているのか、またこの回路の記憶想起に対する因果的役割についてはほとんどわかっていない。

本研究では、下部側頭葉を含む記憶関連脳領域からニューロン活動を同時記録(図1B)することで、脳領域間を連絡する記憶神経回路を同定する。また、ニューロン活動記録を各皮質層から行うことで、記憶神経回路の作動メカニズムを皮質層レベルで探索する。さらに、光遺伝学的手法や行動解析を応用することで、記憶神経回路の因果的役割を明らかにすることを目的とする。

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記憶を操作するケミカルプローブの開発

代表者
東邦大学・理学部
古田 寿昭

モデル生物個体の記憶を光で操作可能にするケミカルプローブとして,新規多機能性ケージド化合物の開発を目指す。ケージド化合物とは,光分解性保護基で修飾した生理活性分子のことで, 光照射によってその活性をオン(またはオフ)にできる。我々のグループでは,1光子および2光子励起の感受性が他のどれよりも高いBhcケージド化合物を開発し, 細胞内のごく一部を刺激する局所光照射を効果的に活用して,細胞内シグナル伝達の詳細な機構解明に応用できること,また,運動性細胞の動きには全く摂動を与えることなく, 特定の細胞内シグナル伝達経路を活性化できることも示してきた。

本研究では,Bhcケージド化合物に適切な分子修飾を施してその機能性の向上を図り,光で記憶を操作可能にする新規ケミカルプローブの開発に応用する。研究期間内では,次の2項目を重点的に進める。 (1)狙った細胞種選択的に光活性化できるセカンドメッセンジャー類のケージド化合物を開発し,モデル生物個体脳において,任意の神経細胞の細胞内シグナル伝達経路を,マイクロ秒以内の時間分解能で制御する新手法開発に展開する。 (2)細胞内のタンパク質合成を制御する新規ケージド化合物を開発し,脳スライスサンプル中の任意の神経細胞内の局所光照射により,神経細胞の樹状突起内だけで目的のタンパク質合成を制御可能か明らかにする。

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記憶の多様な形成と再形成を実現するセル・アセンブリの解析

代表者
同志社大学・脳科学研究科
櫻井 芳雄

記憶の形成に関する認知心理学的研究は、記憶が個々の情報のネットワークとして形成されると仮定してきた。 また、その情報ネットワークがさらに変化し再構成されることにより、有限な神経回路から無限で多様な記憶が次々と形成されると唱えてきた。 しかし、そのように多様な記憶の形成と再形成を実現している神経回路の動態は、まだわかっていない。 記憶の形成に伴い、記憶情報をコードする機能的な神経細胞集団、すなわちセル・アセンブリ(cell assembly)は、どのように形成されるのであろうか? また、一旦形成されたセル・アセンブリは、次に新たな記憶が形成される際、あるいはかつての記憶が消去あるいは再形成される際、どのように変化するのであろうか? 本研究は、記憶の形成と再形成のダイナミクスをセル・アセンブリの活動から解明することをめざす。そのために、ラットが複数の記憶課題(条件性弁別課題)を次々学習していく全期間をとおし、 近接した複数ニューロンの活動を特殊電極で同時記録する(図1)。そして、独立成分分析(ICA)を用いることで、記録したニューロン集団の活動を個々のニューロン活動に正確に分離し(図2)、 大小の機能的なニューロン集団の発火頻度と同期発火の変化を解析する。具体的には次の3点を明らかにする。(1)記憶情報をコードするセル・アセンブリは、記憶Aの形成→記憶Bの形成→記憶Cの形成→記憶Aの再形成、 の全プロセスをとおしてどのように変化するのか?(2)そのようなセル・アセンブリの変化は、記憶形成でそれぞれ独自の役割を持つ前頭前野、運動野、海馬においてどのように異なるのか? (3)前頭前野―運動野―海馬にまたがるマクロな機能的回路が、記憶の形成と再形成のプロセスでどのように変化するのか?

 

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記憶の成立と移動をになう小脳神経回路の機能変化

代表者
同志社大学・脳科学研究科
川口 真也

シナプス可塑性が記憶・学習に重要な役割を担うことが示されてきたが、シナプスの機能変化がいかに個々の神経細胞の入出力変換を変えるのか、いかなるシナプス可塑性の集合体が記憶をコードするのか、そして記憶の安定な長期維持を実現するメカニズムなど、シナプスの機能変化から記憶・学習に至る一連の過程には分かっていない点が多い。

小脳は運動制御を担う器官で、主に皮質のプルキンエ細胞に形成される興奮性シナプスで長期抑圧が起こることで運動学習が成立すると考えられている。また、その学習記憶が安定化するときに記憶痕跡が小脳核へ移動するとの報告がある。本研究では、この小脳での運動学習記憶に焦点を当て、素子レベルの可塑性が神経細胞・回路の情報処理を変化させ、記憶・学習を確立して安定化させる記憶ダイナミクスの過程全体を明らかにすることを目指す。その実現のために、長期抑圧の発現を個々のシナプスレベルで標識する蛍光プローブと神経活動を同時に多点観測することを可能にする膜電位感受性蛍光タンパク質を開発し、神経回路の適応変化を光技術により高い時空間解像度で捕捉することを目指す。そして、動物個体で記憶・学習が確立するときの神経回路変化を「見て」分かる基盤を確立する。

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小脳皮質での長期抑圧や細胞膜電位変化を可視化して、運動学習の確立とその移動による安定化のメカニズムを明らかにする

 

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新規分子活性操作法によるシナプスダイナミズムの意義の解明

代表者
生理学研究所・脳機能計測・支援センター
村越 秀治

記憶の最小単位と考えられるシナプスは、コンピューターのハードディスク(磁性体)によく例えられる。しかしながら、シナプスは生体分子集合体であるため、その反応性や状態が刻々とダイナミックに変化する点で磁性体とは大きく異なっている。なぜ脳はこのような不安定な構造を記憶素子に選んだのだろうか?このような不安定さを、シナプスの記憶ダイナミズム」と捉え、本研究では光応答性分子を独自に開発し、それを用いて、シナプスの状態を光操作することによって、シナプス反応性のバラツキや状態変化の記憶にとっての意義を明らかにする。近年、チャネルロドプシンが普及したことにより、細胞レベルの光操作が比較的簡単に行うことができるようになり、様々な知見が得られている。しかしながら、個々のシナプスレベルでの光操作法については、現在までほぼ未開拓である。そこで、本研究では植物タンパク質であるPhototropin1のLOV2ドメインを用いて、シナプスレベル(ミリ秒レベルの時間分解能とマイクロメートルの空間分解能)での光操作が可能な光応答性のシグナル分子、または光応答性シグナル阻害分子を開発する。また、開発する分子を個体マウスに適用することによって、シナプス集団を光操作し、記憶・学習とシナプス状態の関係を詳細に解析する。

 

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状況特異的な報酬学習記憶の高次制御機構

代表者
京都大学・医学研究科
小川 正晃

我々ヒトを含めた動物がより豊かに生存するためには、時々刻々変化する外界・内的状況に応じて、報酬に関連する重要な情報を、適切な情動を保ちつつ学習記憶し、後の行動に素早く柔軟に活かす必要がある。前頭前野の一領域である眼窩前頭皮質は、このような状況特異的な報酬学習記憶の高次制御を担いうるが、従来の研究ではその役割の詳細は未解明である。眼窩前頭皮質は、扁桃核、線条体など他の脳領域との解剖学的関係がげっ歯類と霊長類で共通しており、近年の研究によって基本的な機能は保存されていることが明らかになっている。よって、げっ歯類の眼窩前頭皮質は、種間で共通しうる根本的機能メカニズムを問う上で優れたモデルシステムである。

 本研究は、げっ歯類における報酬に基づく条件刺激—報酬間の連合学習課題において、状況特異的に眼窩前頭皮質およびその神経回路活動を制御し、報酬学習記憶制御における眼窩前頭皮質神経回路の根本的役割を明らかにする。そのために、光遺伝学的ツールを応用し、電気生理学などの神経活動計測と組み合わせた解析を行う。また、今後そのような状況特異的な眼窩前頭皮質機能を支える分子メカニズムを解明するための技術開発を行う。

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空間探索における海馬とワーキングメモリの相互作用の回路モデル

代表者
理化学研究所・脳科学総合研究センター
深井 朋樹

脳の領野間コミュニケーションのメカニズムの解明は、記憶のみならず、脳全体の機能の理解にとってもきわめて重要な課題である。最近、ワーキングメモリを必要とする空間ナビゲーション課題において、嗅内野皮質(EC)と海馬CA1領域で形成されるループ回路が、一時的記憶の読み出しにとって重要なこと、その過程にはシータ振動(3-7 Hz)と速いガンマ振動(>60 Hz)が関与していることが示唆された(Yamamoto et al., Cell 2014)。しかしその回路メカニズムについては未だわかっていない。そこで本研究では、齧歯類の海馬とECの局所回路をモデル化して、海馬と大脳皮質間の情報伝達の機序を数理モデルで解明することを目指す。

 そのためにワーキングメモリの読み出しに関わるECの局所回路をモデル化する。例えばEC5層には持続発火性の錐体細胞が存在することが知られている。またPV+抑制性細胞がガンマ周波数帯の同期発火を生成することや、SOM+抑制性細胞の活動のアセチルコリンによる修飾が、同期発火の相関を調節することなどが示唆されている。さらにEC局所回路内には、5層から2/3層への強い興奮性投射が存在することも知られている。このような解剖学的あるいは生理学的な情報を基にECの局所回路、および海馬CA1との間のコミュニケーションをモデル化する(図1)。それにより、脳のリズム活動が記憶関連領野間でのコミュニケーションに果たす役割と、背景にある動的な回路メカニズムに関して数理的な知見を得る。本研究の成果を、脳の領野間コミュニケーションの仕組みを解明するための新しい実験の提案に供するとともに、将来的には人工知能の研究などにも役立てたい。

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自己と他者の空間情報記憶

代表者
理化学研究所・脳科学総合研究センター
檀上 輝子

ヒトを含めた動物が空間上を動き回るとき、空間上の各地点や自分の位置をどのように認識しているのだろうか?動物の空間ナビゲーションには海馬が深く関わることが知られており、海馬に存在する場所細胞は、空間上のある地点(場所受容野)に自己が存在するときに特異的に発火し、空間内での『自己の場所認識』に不可欠な役割を果たす。この場所細胞の集合によって脳内に空間認識地図が形成され、空間全体の認識が可能になると考えられている。

場所認識には「自己中心的な場所認知」と「認識地図に基づいた場所認知」の2種類の方法があると考えられている。「自己中心的な場所認知」は、自己が存在する場所を自らの動いた速度、時間、方向から割り出す方法で、これに関わる神経細胞の存在が数多く報告され、そのメカニズムの解明が進んでいる。一方、「認識地図に基づいた場所認知」は、ヒトが実際の地図を参照して目的地を確認し、そこに到達するのと同様の方法で脳内の認識地図を参照し場所を認識する方法であり、このような場所認知には、自らが『今、現在』存在するのとは別の場所を認知することが必須と考えられる。言い換えれば、客観的な意味での『場所そのもの』を表象する細胞の存在が推測されるが、これまでのところ、そのような性質を持つ神経細胞は報告されていない。

 本研究では、ラットが空間内で他のラットを観察するとき、そのラットの場所が脳内でどのように表現されているのかを電気生理学的に明らかにする。これにより、『他者の場所』が『自己の場所』記憶とどのように異なるのかを比較解析し、これを通して、主観的/客観的な『場所』に統一的な表現があるのかという疑問に答え、認識地図の表象機構の本質に迫る。

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Noradrenaline circuit mechanisms for regulation of emotional learning

代表者
理化学研究所・脳科学総合研究センター
Joshua Johansen

Emotional learning and memory is critical for survival, but we also need mechanisms to reduce emotional responding when it is not appropriate to facilitate behavioral and cognitive flexibility. The brainstem locus coeruleus (LC)-noradrenaline neuromodulatory system sends widespread projections throughout the brain and is important for both emotional learning and behavioral flexibility. In this grant we will explore how the anatomical organization of the LC-noradrenaline system mediates its role in distinct forms of learning and behavior. Specifically, we will examine whether different populations of LC-noradrenaline neurons projecting to specific brain regions participate in either emotional learning or overriding emotional memories when they are no longer appropriate. To examine these questions we will utilize cutting edge viral tracing and manipulation tools combined with in-vivo neuronal readout technologies to define how noradrenaline cell populations are connected, encode information (see example below, Fig. 1) and functionally participate in different aspects of behavioral learning and memory. Together these studies will reveal novel circuit mechanisms for neuromodulatory control of learning and behavior and potentially lead to new treatment avenues for psychiatric disorders associated with exaggerated and persistent emotional memories.

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Figure 1: Optogenetic identification of locus coeruleus (LC)-noradrenaline neurons for in-vivo electrophysiological recordings during learning. (a) Cre dependent opsin expression (green) in tyrosine hydroxylase (TH, immunostained in red) noradrenergic LC neurons (merged, in yellow) in a TH-cre rat. Schematic shows experimental strategy for optogenetic identification of noradrenaline neurons to determine their neural coding properties during learning and memory. (b) Example of an optogenetically identified LC-noradrenaline neuron responding to a fear-inducing auditory cue following fear learning.

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記憶形成、固定、想起おける海馬背側CA1セルアセンブリの長期可視化

代表者
理化学研究所・脳科学総合研究センター
林 康紀

海馬は記憶の形成に重要であるが、長期記憶の想起には必要ないと考えられてきた。しかし、近年の光遺伝学的な研究からはそれに疑問を投げかける向きがあり、この点の決着はついていない。そこで、我々は、仮想現実空間、Ca2+イメージング、二光子顕微鏡を用い、海馬セルアセンブリを数日から数ヶ月の単位で1細胞の解像度、かつ約1000個を同時に観察できる実験系を開発し、海馬セルアセンブリが記憶形成に伴いどのように形成されていくか、また近時及び遠隔記憶想起の際に同じセルアセンブリが再活性化されるか、記憶が再構成、あるいは消去される時にセルアセンブリはどうなるのか、再記憶の際に同じアセンブリが用いられるのか、報酬系がいかに記憶を強化するかなど、これまでは不可能だったセルアセンブリの基本性質を観察していく。これらの実験を通じ、これまで動物の行動でしか測ることができなかった記憶ダイナミズムの可視化とその神経回路機構の解明を試みる。

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図左:本研究で用いられる仮想現実空間
図右:背側海馬CA1領域で観察された場所細胞の例

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霊長類の作業記憶を制御する神経回路と神経活動の解明

代表者
理化学研究所・脳科学総合研究センター
肥後 剛康

ヒトを含む霊長類の高次脳機能は、高度に発達した大脳皮質によって制御されると考えられています。霊長類では特にマカク属サルの研究が盛んであり、大脳皮質内の各領野が同定され、それらの機能が明らかにされています。しかし、実際の高次脳機能は単独の脳部位ではなく、複数の部位間の相互作用の中で表現されると考えられています。例えば、作業記憶において記憶の想起、保持、忘却を行う際、前頭前野が長距離神経回路を介して、記憶情報を分散保持する下位脳部位(側頭葉や後頭葉)を適宜活性化すると考えられています (トップダウン制御仮説)。しかし、その相互作用を評価する神経回路操作技術が未開発なため、これらの研究は国際的に停滞しています。

本研究では、霊長類で発達した前頭前野によって制御される作業記憶に着目し、その制御メカニズムを回路レベルから明らかにします。現在、申請者は、背外側前頭前野と図形情報の記憶保持に特化した側頭葉下側間の神経回路において、回路選択的に遺伝子発現を操作する技術を開発しており、この技術を作業記憶課題を訓練したサルへ導入し、電気生理学的、行動学的解析を駆使することで、作業記憶制御の神経回路と神経活動の同定を行います。

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神経活動の可塑性と記憶におけるレム睡眠の役割

代表者
大阪市立大学・大学院医学研究科
水関 健司

哺乳類や鳥類の睡眠は、交互に訪れるレム睡眠とノンレム睡眠から成る。レム睡眠は記憶の固定に重要であると考えられているが、レム睡眠が記憶に関与するメカニズムは分かっていない。私達は、レム睡眠が海馬CA1錐体細胞の発火頻度を減少させる一方で、発火同期性を増大させることを見出した(Figure; Grosmark, et al., Neuron, 2012)。しかし、レム睡眠が海馬CA1領域以外の脳領域でも同様の役割を担っているのかは不明である。また、レム睡眠による発火頻度や発火同期性の変化がどのように記憶の固定と関わっているのかは全く分かっていない。

本研究では、多点同時記録法と光遺伝学を使用し、行動中と睡眠中のげっ歯類の脳から神経活動を記録することにより、以下の3点を行う。①レム睡眠によって海馬の神経細胞の活動相関性や情報表現がどのように変化するかを調べる。②前頭前野・扁桃体・基底核・小脳など、海馬以外の記憶構造において、レム睡眠が発火頻度や発火同期性をどのように制御するかを明らかにする。③光遺伝学的手法を用いてアセチルコリン作動性神経細胞の活動を促進または抑制することでレム睡眠を操作し、レム睡眠が神経活動の可塑性や記憶に対してどのような役割を担うのかを調べる。

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