Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

運動学習 / 2光子イメージング / 運動野 / 視床 / 小脳 / ２光子イメージング

哺乳動物における運動学習の回路動作原理を解明することを目的とし、一次運動野内と一次運動野に入力する信号と出力される信号を系統的に調べその関連と運動学習における役割を明らかにしようとしている。今年度は、運動タイミング課題実行中の小脳→視床→大脳皮質運動野経路における視床皮質軸索活動の計測と解析を進め、複数の運動野、異なる層に入力するタイミング信号をそれぞれ明らかにした。また、運動タイミングを必要としない課題中での活動と比較することで、前者の課題での活動パターンが運動タイミングに特異的であることを見出した。これらの活動は単一細胞活動でも運動タイミングに依存した活動を示し、細胞集団としても、運動タイミングをコードしていることを数理解析によって見出した。またこの視床軸索のシナプス強度をスライス標本で計測する実験系を確立し、フィードフォワード抑制経路を見出した。その特性について薬理学的手法と光遺伝学的手法を用いて明らかにしつつある。また運動野深層での細胞集団活動と多くの行動パラメータが学習中にどのような関係に変化し維持されるのかを、エンコーディング、デコーディングの解析技術を駆使して明らかにした。さらに、その活動と運動の因果関係を明らかにするため、光遺伝学的手法で細胞活動を操作する技術を開発した。このことで、一次運動野深層の細胞活動抑制は。一次運動野全層の細胞活動抑制とは異なった運動異常を示すことが判明した。

２光子顕微鏡 / カルシウムイメージング / 運動学習 / 大脳皮質運動野 / 大脳基底核 / 小脳 / 視床 / 軸索 / 運動野 / 2光子イメージング / 光遺伝学 / ２光子イメージング / 神経科学

２光子カルシウムイメージング法を用いてマウス大脳皮質運動野に投射する視床皮質軸索のシナプス前部の神経活動を計測することで、前肢レバー引き運動課題を学習する際、視床から運動野へ送られるシグナルが２種類あり、互いに異なる時間変化（ダイナミクス）を示すことを明らかにした。これら２種類のシグナルは「運動課題の成功率」あるいは「運動の安定性」と、それぞれ関連していた。また、シグナルは大脳皮質のどの層に入力するかによってダイナミクスが異なり、それぞれが大脳基底核あるいは小脳に強い影響を受けることがわかった。その一方で、どちらのシグナルを作り出すにも大脳基底核と小脳の両方の活動が必要であることも見出された。

本研究成果は、脳全体の理解に不可欠な脳領域間ネットワークの視点から運動学習や運動制御のメカニズムの一端を明らかにしたという点で非常に重要であり、パーキンソン病やジストニアなどの運動失調・運動障害疾患の病態理解に将来的に貢献することが期待される。

運動制御 / 運動学習 / リーチング運動 / 脳内過程 / 運動野 / 小脳

本研究の結論は、同じ左腕(右腕)の運動であっても、その運動学習に関与する脳内過程(メモリ)は、もう一方の腕の運動の有無によって部分的に切り替わるということである。この結論を得るために具体的には以下のような研究を行った。
・リーチング運動時に、ロボットアームを用いて手先の移動速度に依存した力場を貸す。そのときの力場への適応過程を調べることにより、リーチング運動時に左腕(もしくは右腕)だけで(片腕運動で)獲得した運動学習効果と、もう一方の腕の動きを付けくわえて両腕運動として獲得した運動学習効果の間の互換性を検討した。その結果、片腕だけで覚えた運動学習効果は両腕運動時の同じ腕で6-7割しか活用されず、逆に両腕を動かしながら獲得した学習効果は片腕運動時には6-7割しか活用されないことが明らかになった。
・この結果より、同じ腕の運動学習に関わる脳内過程として、片腕運動専用の部分、両腕運動専用の部分があり、これらの運動学習用メモリが切り替えられて用いられているという仮説を立てた。
・この仮説に基づき、運動学習に関わる脳内過程を、片腕専用、両腕専用、共用の3つの領域から構成されると仮定した数学的モデルを構築した。このモデルでは、リーチング運動を行うたびに運動軌道のエラー情報によってそれぞれの領域の状態が更新される。このモデルのパラメータを適切に設定することにより、得られた実験結果(運動学習効果の片腕-両腕運動間の非互換性等)をほぼ再現できた。
・この数学的モデルは、ある条件の下では運動学習の時定数が遅くなるなどの新しい予測を導く。実験により、これらの新規な予測がすべて実際に生じることを確認した。