「オペラント学習による行動獲得と転換を実現する神経回路制御」

動物は、目的に応じた適切な行動をオペラント学習により獲得し、その行動を繰り返しているとやがて習慣化します。この行動適応の過程には、大脳皮質－基底核回路の並列ループ間での機能シフトが関与すると推察されていますが、その機能シフトの詳細な仕組みについてはほとんど理解が進んでいません。これまで私たちは、頭部を固定したラットに前肢を使った行動課題を効率良くオペラント学習させる行動実験系を確立し、大脳皮質（運動野）や大脳基底核（線条体）の神経細胞の機能的活動の特性を、マルチニューロン記録法などの電気生理学的な計測技術を使って解明する研究を推進してきました。

そこで本研究では、ラットのオペラント学習の進行に伴う、辺縁系ループ（情動や動機づけに関与）、前頭前野系ループ（目標指向行動の形成）、運動系ループ（習慣化への転換）間の機能シフト動態を、独自の行動実験系に多領域マルチニューロン記録と光遺伝学技術を組み合わせて因果的に解明し、理論モデルの構築を通じて神経回路の機能シフトの本質を考証することを目指します。

具体的には、まずラットに前肢を使う行動課題(Stop-Signal応答課題など)をオペラント学習させて、目標指向行動の形成、習慣化への転換、衝動性の調節の過程を観測できる行動実験系を確立します。このような行動適応を担う機能シフトに関わる神経活動を、大脳皮質－基底核回路の並列ループからの多領域マルチニューロン記録によって解析し、各領域における神経細胞の機能的活動の特性を調べるとともに、領域間やループ間の機能的情報の伝達量や方向性を統計的解析で推定します。また、A01小林班から供与されるオプトジェネティクス技術を活用し、オペラント学習の試行中に特定回路の信号伝達を光刺激／光抑制することにより、オペラント学習の進行に伴う行動適応を担っている大脳皮質や基底核の機能的シフトの責任回路を特定することにも挑戦したいと考えています。このような実験で得られた知見をもとに、酒井裕教授（玉川大学・研究分担者）の協力を得て機能シフトの計算論的な役割を導出し、その理論的予測をさらに実験的に検証することによって、実験と理論の両面から行動適応に関わる神経回路の機能シフトを統一的に理解することを期待して本研究に取り組んでいます。

 
最近の主要論文
1. Saiki, A. et al. (2014) Different modulation of common motor information in rat primary and secondary motor cortices. PLoS ONE 9: e98662.
2. Isomura, Y. et al. (2013) Reward-modulated motor information in identified striatum neurons. J. Neurosci. 33: 10209-10220.
3. Kimura, R. et al. (2012) Reinforcing operandum: rapid and reliable learning of skilled forelimb movements by head-fixed rodents. J. Neurophysiol. 108: 1781-1792.

投稿日:2015年04月30日