Holographic microscopy sheds light on the mechanism of odor information integration in the olfactory cortex

全息显微镜揭示了嗅觉皮层气味信息整合的机制

基本信息

批准号：
22KJ1544
负责人：
谷隅勇太
金额：
$ 3.33万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

脳を構成する神経細胞は，然るべき瞬間に秩序立った信号を繰り返し奏でることで，動物の柔軟な知覚学習機能を成立させる．このメカニズム解明は生命現象の理解に必須であるが，ミリ秒レベルでの神経時系列変化と，学習に伴う動物の行動変化との因果関係を調べる実験系は未発達かつ精度が足りない．そこで本研究では，神経計測をしながら，個々の活動をミリ秒スケールで操作可能なホログラフィック顕微鏡技術を用いることで，局所回路の時空間活動パターンと動物の行動との因果関係を解明することを目標にした．本年度は主に以下２項目に取り組んだ．1) 神経活動操作および行動データ取得基盤の構築：生理学研究所にて，新たなホログラフィック顕微鏡システムの構築を行った．マウスを用いて，感覚刺激と報酬の連合学習系を2光子顕微鏡下に構築し，行動タスク中の任意のタイミングで，特定の細胞を任意の時空間活動パターンで活性化させるシステムに関して，ハードウェアおよびソフトウェア開発を行った．顕微鏡視野内の細胞を自動抽出し，光刺激可能細胞・行動タスクイベント応答細胞のラベル付けを行うシステムの整備を完了させた．今後，特定の行動と，人工的に発生させた時空間活動パターンを連合学習させた後，活動パターンを規則的に崩すことで，知覚成立に必要な活動要素の時空間分解能を明らかにする．2) ホログラフィック顕微鏡システムで得たカルシウムイメージングデータ解析・応用：学習行動中および光刺激中のマウスから，ニューロンのカルシウムイメージングデータを取得して解析した．ホログラフィック顕微鏡システムを通じて，節水したマウスに「数十個の細胞群（セル・アセンブリ）を光活性した後，舌なめ行動をすることで水報酬が得られる」行動を学習させることに成功した．学習後，光活性させる細胞数を徐々に減らし，細胞数と知覚度の関係を表す知覚検出曲線を計算するシステムを構築した．

构成大脑的神经元通过在适当的时刻重复播放有序信号来建立灵活的感知学习功能。阐明这一机制对于理解生物现象至关重要，但用于研究毫秒级神经时间序列变化与动物学习相关行为变化之间因果关系的实验系统尚不发达且缺乏精度。因此，在这项研究中，我们的目标是通过使用全息显微镜技术来阐明局部回路的时空活动模式与动物行为之间的因果关系，该技术可以在进行神经测量的同时在毫秒尺度上操纵个体活动。今年，我们主要做了以下两方面的工作。 1）神经活动操纵和行为数据采集平台的构建：在国立生理科学研究所构建了新型全息显微镜系统。使用小鼠，我们在双光子显微镜下构建了一个用于感觉刺激和奖励的联想学习系统，并开发了一个系统硬件，该系统可以在行为任务和软件开发过程中以任意时空活动模式激活特定细胞。我们已经完成了一个系统的开发，该系统可以自动提取显微镜视野内的细胞，并标记可以受光刺激的细胞和对行为任务事件做出反应的细胞。未来，我们将通过对特定动作和人工生成的时空活动模式进行关联学习，然后定期扰乱活动模式，来阐明建立感知所需的活动要素的时空分辨率。 2）全息显微镜系统获得的钙成像数据的分析和应用：获得并分析小鼠在学习行为和光刺激过程中的神经元钙成像数据。利用全息显微镜系统，我们成功地让节水小鼠学会了“在光激活数十个细胞群（细胞集合体）后通过舔舌头获得水奖励”的行为。经过学习，我们逐渐减少了光激活细胞的数量，并构建了一个计算感知检测曲线的系统，该曲线表达了细胞数量与感知程度之间的关系。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Evaluation and Manipulation of Neural Activity using Two-Photon Holographic Microscopy

使用双光子全息显微镜评估和操纵神经活动

DOI：
10.3791/64205
发表时间：
2022
期刊：
Journal of Visualized Experiments
影响因子：
0
作者：
Kato Daisuke;Quan Xiangyu;Tanisumi Yuta;Guo Zhongtian;Morita Mitsuhiro;Takiguchi Tetsuya;Matoba Osamu;Wake Hiroaki
通讯作者：
Wake Hiroaki