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

基本信息

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

项目摘要

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。

动物出生后，通过学习来适应外部环境。通过在早期学习阶段的仔细尝试和错误，例如获得自行车驾驶技能，我们在日常生活中体验到动作逐渐变得自动和无意识。在运动学习过程中观察到的一系列运动的优化和效率被认为是中枢神经系统神经回路可塑性变化的结果。我们重点关注大脑皮层运动皮层第 5 层的锥体神经元，并对它们接收到的兴奋性输入进行形态学观察和量化。已知锥体细胞的树突有刺，主要形成一根兴奋性突触。使用在第 5 层视锥细胞中表达荧光蛋白的转基因小鼠，可以通过体内双光子显微镜观察脊柱。使用这些小鼠，我们用前肢给它们执行运动学习任务，评估它们的成功率，并在双光子显微镜下观察它们的脊柱动态。结果，由于运动学习，观察到许多新的脊柱。为了确定脊柱接收的兴奋性输入的来源，我们制备了固定的小鼠脑切片，使用双光子显微镜观察，然后进行四重免疫组织化学分析。这种事后免疫组织化学使得能够区分突触输入新生脊柱之前的轴突末端是否源自皮质锥体细胞或丘脑细胞。使用这种方法，我们观察了运动学习过程与新的兴奋性突触连接的出现之间的相关性，并发现对于接收皮质输入的棘和接收丘脑输入的棘，i）早期学习中新的兴奋性突触的频率阶段；）发现出生后的长期存活率存在显着差异。这一结果表明皮质-皮质连接和丘脑-皮质投射连接在运动学习中发挥不同的作用。此外，我们还增加了使用电子显微镜的微观结构分析和化学遗传验证，目前正在准备提交论文。