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

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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．