研究組織・メンバー

A01:脳情報動態を規定する大脳皮質間回路と皮質－皮質下間回路

研究代表者
松崎政紀・東京大学大学院医学系研究科・教授
WEBhttp://plaza.umin.ac.jp/~Matsuzaki-Lab/

紹介文本文

大脳前頭皮質は、霊長類では前方領野（前頭前野）は大脳基底核と、後方領野（運動野、運動前野）は小脳と強いループ経路を持つ。意思決定や運動学習・制御において、この皮質―皮質下間回路・各領野が重要であることがわかっているが、この記憶構造（大脳基底核と小脳）がどのような情報をどのような形式で前頭皮質に送り、その情報が文脈によってどのように変化するのか、情報がどのように前頭皮質間の領野、複数種の神経細胞によって統合されるのか、を明らかにすることはこれまで困難であった。しかし近年、2光子カルシウムイメージングや光感受性プローブ、光遺伝学の発達によって、課題実行中のマウスの大脳皮質全層での細胞活動や、そこへ入力する軸索活動を計測・制御可能となった。一方でコンピュータ性能の向上や機械学習などの開発が急速に進んでいる。そこで、高空間解像度を持つ2光子カルシウムイメージングと光遺伝学を小型動物の高次脳課題に応用し、得られたデータを、情報科学・機械学習の専門家と連携して解読する。本研究では、（1）前頭皮質と大脳基底核が関与する文脈情報と報酬価値情報を対象とした認知課題、（2）前頭皮質と小脳が関与する運動適応課題を行い、樹状突起での情報統合様式や細胞種・投射先特異的な細胞活動も測定し、細胞活動を感覚運動情報にデコーディングする。高精度画像データ取得と情報科学との強い連携によって、これまで理解ができなかった、前頭皮質と記憶構造が作る回路がどのような情報動態（転送・変換・統合・更新・貯蔵）を超ビッグデータの学習無しに実現しているのかを明らかにしていきたい。

図1　大脳皮質間と皮質－皮質下間での脳情報の流れ

文献

Hira R, Terada S, Kondo M, Matsuzaki M (2015)
Distinct functional modules for discrete and rhythmic forelimb movements in the mouse motor cortex.
J Neurosci 35: 13311-13322.
Hira R, Ohkubo F, Masamizu Y, Ohkura M, Nakai J, Okada T, Matsuzaki M (2014) Reward-timing-dependent bidirectional modulation of cortical microcircuits during optical single-neuron operant conditioning.
Nat Commun 5: 5551.
Masamizu Y, Tanaka YR, Tanaka YH, Hira R, Ohkubo F, Kitamura K, Isomura Y, Okada T, Matsuzaki M (2014) Two distinct layer-specific dynamics of cortical ensembles during learning of a motor task.
Nat Neurosci 17: 987-994.