運動学習に内在する大脳皮質運動野神経回路と可塑的変化の形態－機能連関

大脑皮层运动皮层运动学习固有的神经回路和可塑性变化的形式功能关系

• 批准号: 17J04137
• 负责人: 孫 在隣
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: National Institute for Physiological Sciences
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J04137/
• 关键词: 大脳皮質運動野; 運動学習; シナプス可塑性; 光学・電子顕微鏡相関解析; ATUM-SEM法; 運動野; 学習; 錐体細胞; 光学顕微鏡; 電子顕微鏡

動物は生後、学習を通じて外的環境に順応する。我々は、自転車の運転技術獲得などを通じ、学習早期には注意深い試行錯誤を繰り返し、徐々に運動が自動化・無意識化していくことを日常で経験している。運動学習中にみられる一連の動作の最適化・効率化は、中枢神経系での神経回路の可塑的変化の結果であると考えられる。我々は大脳皮質運動野第5層錐体細胞に着目し、それが受ける興奮性入力を形態学的に観察・定量化した。錐体細胞の樹状突起には棘突起（スパイン）が存在し、主に一つの興奮性シナプスを形成することが知られている。第5層錐体細胞に蛍光蛋白質を発現する遺伝子改変マウスを用い、生体2光子顕微鏡観察を行うと、スパインを視認することが可能である。このマウスを用い、前肢を用いた運動学習課題を与え、その成功率を評価すると同時に2光子顕微鏡下でスパイン動態を観察した。これにより、運動学習に伴って多くの新生スパインが観察された。スパインが受ける興奮性入力源を定めるため、2光子顕微鏡観察したマウスの固定脳薄切標本を作成し、さらに4重免疫組織化学を施した。このpost hoc免疫組織化学により、新生スパインへのシナプス入力前軸索終末が、皮質錐体細胞由来か視床細胞由来かを弁別することが可能となった。この手法により、運動学習の経過とそれによる新規の興奮性シナプス結合の出現との相関を観察したところ、皮質入力を受けるスパインと視床入力を受けるスパインとでは、i) 学習早期での新生頻度　ii) 新生後の長期残存率　が大きく異なることがわかった。このことは、皮質－皮質間連絡と視床－皮質投射結合とが運動学習において異なる役割を果たしていることを示唆する結果であった。さらに電子顕微鏡を使った微細構造の解析や化学遺伝学的検証を加え、現在論文投稿準備中である。

出生后，动物通过学习适应其外部环境。通过获得自行车驾驶技能，我们在日常生活中经历了我们在学习早期仔细尝试和错误的经历，逐渐变得自动化和昏迷。在运动学习过程中看到的动作序列的优化和效率被认为是中枢神经系统神经回路变化的结果。我们专注于大脑皮层，运动区域的锥体细胞，并在形态学上观察并量化了他们收到的兴奋性输入。 Spinus过程存在于锥体细胞的树突中，已知主要形成一种兴奋性突触。使用在第5层锥体细胞中表达荧光蛋白的转基因小鼠，可以通过观察使用生物组织的两光子显微镜观察到棘。使用此鼠标，我们使用前肢进行了运动学习任务，并在两光子显微镜下评估了成功率并观察到脊柱动力学。这导致了许多新的刺，可以通过运动学习观察到。为了确定脊柱接收的兴奋性输入的来源，制备了在两光子显微镜下观察到的小鼠的固定脑切片样本，并进一步受到四倍的免疫组织化学。该事后免疫组织化学使可能区分新生脊柱的突触输入是源自皮质锥体细胞还是丘脑细胞。使用这项技术，我们观察到运动学习过程与新型兴奋性突触连接的外观之间的相关性，发现接受皮质输入的刺和接受丘脑输入的刺的棘是I）在早期学习时肿瘤的频率在早期学习时，ii）ii）ii）ii）在变肿后的长期存活率。该结果表明，皮质皮层通信和丘脑皮层投影连接在运动学习中起着不同的作用。此外，正在添加使用电子显微镜的显微结构分析和化学遗传验证，目前正在准备提交该论文。

项目成果

Network plastic changes in the primary motor cortex as the basis of a new motor skill acquisition.

初级运动皮层的网络可塑性变化是获得新运动技能的基础。

• 发表时间: 2020
• 作者: Kubota Y;Sohn J;Suzuki M;Hatada S;Youssef M;Larkum ME;Kawaguchi Y.
• 通讯作者: Kawaguchi Y.

Max-Planck Institute for Brain Research/Max-Planck Institute of Neurobiology/ZEISS Microscopy Customer Center Europe(Germany)

马克斯普朗克脑研究所/马克斯普朗克神经生物学研究所/蔡司显微镜欧洲客户中心（德国）

ATUMtome 用の新開発テープと高解像画像用組織処理法

新开发的 ATUMtome 磁带和高分辨率图像的组织处理方法

• 发表时间: 2017
• 作者: 窪田芳之;孫在隣;畑田小百合;川口泰雄
• 通讯作者: 川口泰雄

Application of tissue-clearing methods for dissecting brain structure

应用组织清除方法解剖大脑结构

• DOI: 10.1254/fpj.149.173
• 发表时间: 2017
• 期刊: Folia Pharmacologica Japonica
• 作者: 日置寛之;濱裕;孫在隣;黄晶媛;並木香奈;星田哲志;黒川裕;宮脇敦史
• 通讯作者: 宮脇敦史

Thalamo-cortical target analysis in cortical motor cortex using large volume electron microscopy

使用大体积电子显微镜对皮质运动皮层的丘脑皮质目标进行分析

• 发表时间: 2019
• 作者: Kubota Y;Sohn J;Kuramoto E;Kawaguchi Y
• 通讯作者: Kawaguchi Y