研究組織・メンバー

A01:光と機械学習による恐怖記憶情報処理機構の解明

研究代表者
揚妻正和
生理学研究所　基盤神経科学研究領域　生体恒常性発達研究部門・特任准教授
WEBhttp://www.nips.ac.jp/hsdev/personal_pages/agetsuma/index.htm

紹介文本文

大脳皮質は脊椎動物の中でも特にヒトで肥大化し、知性や情動を形作る上で重要であると考えられている。中でも前頭前野背外側部は、様々な高次機能を担い、さらにはうつ病やPTSD、統合失調症などの精神疾患との関連も深い。同様の機能を持つと言われるマウスの「内側前頭前野（mPFC）」もまた、報酬記憶・嫌悪記憶といった様々な情動に関する記憶の管理を担っている。
その内部では、最小構成ユニットである「神経細胞」が非常に複雑な「回路」を形成し、情報処理を行うことで学習や課題の遂行を達成する。これまでの研究により、大脳皮質での情報処理においては、神経細胞集団は全体として非常に精密に制御されなければならないことが強く示唆されている。
しかしながら、実際どのような制御が脳機能の達成に重要であるかについては、情報論的な概念や仮説が提唱されるにとどまっている場合が多い。集団としての制御の実態を把握する上では、単一神経細胞分解能で多数の神経から活動を記録する必要があるが、従来は技術的な制約により困難であった。そこで申請者らは、2光子神経活動イメージング技術によりそれを克服し、さらに光遺伝学的な神経活動操作を同時に行う手法も確立した。これにより、大脳皮質での神経集団による情報コーディング（population coding）の基盤について明らかにしてきた。
本研究ではこれらの技術を応用し、擬似自由行動中のマウスにおける神経集団活動の経時的な計測と操作を行うことで、mPFCの神経細胞集団による「情動記憶」の情報処理基盤を解明する。さらに、領域内での共同研究などを通じて解析を進め、神経群活動からの情報解読・重要な要素の抽出を進める。その意義を光遺伝学による神経群活動パターンの再生により検証し、情動記憶を司る脳内情報処理様式の解明を進めていく。

文献

Horiuchi H*, Agetsuma M*, Ishida J, Nakamura Y, Lawrence Cheung D, Nanasaki S, Kimura Y, Iwata T, Takahashi K, Sawada K, Nabekura J (2020)
CMOS-based bio-image sensor spatially resolves neural activity-dependent proton dynamics in the living brain.
Nat Commun 11: 712.
(*equal contribution)
Inagaki S*, Agetsuma M*, Ohara S, Iijima T, Yokota H, Wazawa T, Arai Y, Nagai T (2019)
Imaging local brain activity of multiple freely moving mice sharing the same environment.
Sci Rep 9: 7460.
(* equal contribution)
Agetsuma M, Hamm JP, Tao K, Fujisawa S, Yuste R (2018)
Parvalbumin-Positive Interneurons Regulate Neuronal Ensembles in Visual Cortex.
Cereb Cortex 28: 1831-1845.
Agetsuma M, Aizawa H, Aoki T, Nakayama R, Takahoko M, Goto M, Sassa T, Amo R, Shiraki T, Kawakami K, Hosoya T, Higashijima S, Okamoto H (2010)
The habenula is crucial for experience-dependent modification of fear responses in zebrafish.
Nat Neurosci 13: 1354–1356.