オペラント学習進行に伴う大脳皮質－基底核回路における並列ループの機能シフトの解明

動物は、学習により目的に応じた適切な行動を獲得し（目標指向行動）、その適切な行動はやがて習慣化する（習慣的行動）。この行動適応の進行に伴い、目標指向行動の形成を担う「前頭前野系ループ（前頭前皮質－背内側線条体ループ）」から習慣化への転換を担う「運動系ループ（感覚運動皮質－背外側線条体ループ）」への機能シフトが生じると考えられているが、その全貌は未解明のままである。機能シフトの解明には、大脳皮質-基底核回路において各脳領域を正確に同定した上で細胞外記録することが必須である。本研究では、高空間解像度で電極を操作可能であり、かつ、光遺伝学的手法などと組み合わせることも容易にできる頭部固定下動物を用いた実験系を構築した。初年度に確立した行動課題（左右ペダル課題）を利用し、「運動系ループ」への機能シフトが生じた後の運動野の神経細胞の対側・同側情報表現について調べた。この課題において、頭部固定されたラットは左右の前肢でペダルを適切に操作することで報酬を獲得する。ラットは左右のペダルを下方へ一定時間押し込み、その後、自発的に片方のペダルを選択する（ペダルから前肢を離す）ことで報酬を得る。課題には右ペダル－報酬ブロックと左ペダル－報酬ブロックの2つのブロックがあり、ラットは文脈依存的にペダルを選択する必要がある。これにより、ラットは左右の前肢を独立して動かすこととなり、「運動系ループ」の一部を担う運動野の神経細胞が対側・同側の情報をどのように表現しているかを明らかにすることができる。左右ペダル課題遂行中のラットの一次運動野と二次運動野から多細胞同時神経活動記録を行った結果、一次運動野の神経細胞は、対側の前肢の運動情報を表現しており、一方、二次運動野の神経細胞は前肢の運動を両側性に（対側・同側ともに）表現していることを明らかとした。

動物は、学習により目的に応じた適切な行動を獲得し（目標指向行動）、その適切な行動はやがて習慣化する（習慣的行動）。この行動適応の進行に伴い、目標指向行動の形成を担う「前頭前野系ループ（前頭前皮質－背内側線条体ループ）」から習慣化への転換を担う「運動系ループ（感覚運動皮質－背外側線条体ループ）」への機能シフトが生じると考えられているが、その全貌は未解明のままである。機能シフトの解明には、大脳皮質-基底核回路において各脳領域を正確に同定した上で細胞外記録することが必須である。本研究では、高空間解像度で電極を操作可能であり、かつ、光遺伝学的手法などと組み合わせることも容易にできる頭部固定下動物を用いた実験系を構築した。初年度に確立した行動課題（左右ペダル課題）を利用し、「運動系ループ」への機能シフトが生じた後の運動野の神経細胞の対側・同側情報表現について調べた。この課題において、頭部固定されたラットは左右の前肢でペダルを適切に操作することで報酬を獲得する。ラットは左右のペダルを下方へ一定時間押し込み、その後、自発的に片方のペダルを選択する（ペダルから前肢を離す）ことで報酬を得る。課題には右ペダル－報酬ブロックと左ペダル－報酬ブロックの2つのブロックがあり、ラットは文脈依存的にペダルを選択する必要がある。これにより、ラットは左右の前肢を独立して動かすこととなり、「運動系ループ」の一部を担う運動野の神経細胞が対側・同側の情報をどのように表現しているかを明らかにすることができる。左右ペダル課題遂行中のラットの一次運動野と二次運動野から多細胞同時神経活動記録を行った結果、一次運動野の神経細胞は、対側の前肢の運動情報を表現しており、一方、二次運動野の神経細胞は前肢の運動を両側性に（対側・同側ともに）表現していることを明らかとした。