DynamicBrain Platform
INCF Japan Node Portal Site
Login
Shibboleth Login
Username


Password



学習と記憶の理論的・実験的研究

From DynamicBrain Platform

Go to English Page

Contents

【記憶・学習研究グループ】研究のテーマと内容

玉川大学脳科学研究所
塚田 稔

学習と記憶の理論的・実験的研究

記憶システムを備えている生物は、ある状況に直面したとき、それを以前の経験と比較し、それらを総合して最も適切と考えられる行動をとろうとする。この行動決定には3種類の記憶、すなわち過去記憶、現在記憶(ワーキングメモリ)、未来記憶(予測)を有機的に結びつける脳の働きが必須である。これら3種類の記憶は、脳の別々の領域で作成・保持されていると考えられているが、それらはどこでどのようなメカニズムで統合されているのだろうか。我々のグループでは、この問題を明らかにするために、はじめに理論的な学習記憶仮説を提案し、そこから導かれる現象を予測する。つぎに、実験動物(モルモット、ラットなど)を用いた生理実験により、理論モデルから導かれる予測を、単一細胞のシナプス結合強度パターンとしての記憶形成というミクロなレベルから、複数の細胞集団システムにおける記憶形成というマクロなレベルにわたって検証し、いまだ未解決なこの問題に解明の道筋をつける研究を推進した。

研究項目は、以下の各項目についての実験的・理論的研究である。

海馬

過去、現在、未来の記憶を統合する脳の場所は海馬であると考えられる。その海馬神経回路網は、3つのタイプのシナプス結合で構成されている。その一つは、苔状回からCA3を経てCA1の錐体細胞にシナプス結合する大脳皮質から海馬への入力回路である。この回路により大脳皮質から送られてくる信号は、空間的にマッピングされると考えられる。第二は、大脳皮質から直接海馬CA1の錐体細胞にシナプス結合する回路で、第一の回路で形成されるシナプス結合と時空間的インタラクションを起こし、結合強度を修飾するものと考えられる。第三の回路は、CA3内のローカルな回路で、この回路はフィードバック機能をもつリカレントシナプス結合を有する特徴がある。このフィードバック結合を遺伝子的にノックアウトしたマウスでは、行動を適切に判断するに必要な手がかりの数が正常なマウスに比べて桁違いに多くなるという報告(中沢ら、2002)があることを考え合わせると、CA3回路網はリカレントシナプスを含む神経回路で入力情報の時空間系列の文脈を作っているものと想定される。この文脈がCA1回路網に送られ、CA1錐体細胞のシナプスの加重空間パターンとして写像されるものと仮定し、塚田ら(1996)は海馬神経回路網における新しい時空間学習則(Spatio-temporal Learning Rule; STLR)を提案した。さらに津田ら(1996,2001)は、不安定な振る舞いをする神経回路網(CA3に対応)がカオス的遍歴をたどることにより入力事象の文脈を形成し得ること、またその文脈は縮小ダイナクスによりカントールコーディングとして安定な神経回路網(CA1に対応)のシナプス加重空間に符号化されるという計算論モデル(カオス駆動縮小システム)を提案した。

具体的には以下の項目で研究を実施した。

1.コンピュータシミュレーションモデル(細胞、回路網、システム)による時空間学習則(STLR)の時空間パターン弁別の特性
2.海馬CA1野における時空間学習則の実験的証明(スライス、細胞、回路網、システム)
3.海馬CA1錐体細胞におけるスパイクタイミング依存性LTP(ヘブタイプ)の特性(スライス、細胞、回路網、システム)
4.海馬CA1錐体細胞におけるSTLRとHebbタイプ学習則の間の相互関係(スライス、細胞、回路網、システム)
5.海馬CA1錐体細胞におけるカントールコーディングの可能性(スライス、細胞、回路網、システム)
6.海馬CA1錐体細胞膜のθオシレーションの位相シフト(スライス、細胞、回路網、システム)
7.シナプス前末端からの伝達物質の放出のメカニズム
8.空間、報酬、手段の文脈形成の行動実験(行動、細胞、回路網、システム)

皮質

感覚皮質は、それぞれ特定の物理刺激に選択的に応答する脳の領域とされてきた。しかしながら、最近、神経活動イメージングによって人間の聴覚野は音がなくても活動することが示された。この活動は事象の想起などのような行為に伴うトップダウン的な入力信号をうけて生じると考えられるが、いかに脳がそのようなトップダウン情報による活動を作り出すかについてはほとんど解明されていない。

我々は、まずボトムアップ情報どうしが大脳皮質でどのように統合されるかについて古典的条件付けを用いて研究し、続いてボトムアップ情報とトップダウン情報の双方を受ける海馬を対象に、両入力がどのように相互作用して記憶が形成されるかについて以下の3項目の研究を行った。

9.古典的条件付けの情報は、いかに皮質で統合されるか(インビボ、回路網)
10.皮質と海馬の情報は、皮質においていかに相互作用をするか(インビボ、回路網、システム)
11.生理学的データに基づく海馬―皮質系記憶システムの理論的モデルの構築(モデル)

計測システム

学習・記憶メカニズムを、単一細胞のシナプスレベルから神経ネットワークや脳の全体システムの働きにわたって横断的に実験研究を行うには、脳の一部のスライス標本を用いたシナプス活動の計測、ローカル神経回路網の活動の計測、行動中の動物の脳活動の計測などが必須である。これを実現するために、以下の計測システムの開発を行った。

12.ガルバノミラーと二光子顕微鏡による高速多点アンケージングシステム、電位感受性色素による光学計測システム、マルチレコーディングシステムの開発(スライス、 in vivo、 細胞、ネットワーク、システム)

人間

聴覚関連皮質の再賦活(共活性)および海馬領域の活動の特性を、虚再認のパラダイムを用いた実験により検討した。視覚性再認時の脳活動の計測には機能的MRIを用いた。

13.ヒトエピソード記憶における感覚皮質と海馬領域の機能的特性

研究内容

海馬

我々が提案する時空間学習則(STLR)と従来のHebb型学習則の機能的違い

我々は、単一層神経回路網に2つの学習則を適用し、ヘブの学習則およびその発展学習則を適用した場合と、我々が提案した時空間学習則を適用した場合について、記憶されたパターンの時空間分離能力を比較した。シミュレーションの結果(Tsukada、Pan, 2005)、ヘブの学習則(拡張学則も含む)に比べて時空間学習則のほうが時空間パターン系列を区別する能力が高いことが示された。へブ学習則には無い学習則の特徴は、シナプス後ニューロンの細胞発火なし連合性の可塑的変化が誘起されることと、入力系列の時間履歴による可塑的変化が誘起されることである。

シナプス前後の要素が同時に活動したときのみ結合強度が強められるヘブ型学習則は、類似な入力系列パターンを同一出力パターンに引き込む性質(pattern completion)の特徴がある。それに比べ、時空間学習則はそれぞれ独立した入力パターンに依存して異なった出力パターンを作りだすパターン分離機能が優れている。我々はまた、理論シミュレーションの結果を、海馬CA1野の多くの独立した局所的デンドライトを持つ単一錐体細胞のデンドライト‐細胞体システムにおいて起こる現象と比較した。このシステムは、スパインの形の違いや、NMDA受容体(NMDAR)、Na+とK+のチャンネル等複数のイオン機構を含んでいる。錐体細胞はこれら局所的デンドライト機能のすべてを統合する。

ヘブ型学習則によるシナプス結合の変化は次の様に進む。もしシナプス後細胞がいくつかの空間入力パターにより発火したら、その入力を受けた全てのシナプスは強化される。その強化された結合加重は次の発火に影響する。そのとき、もし類似の入力がそのデンドライトのシナプスに到達したら、シナプス後細胞は発火を続け、同じシナプスはさらに強められる。その結果、類似パターンを引き込む能力が増大する。すなわち、アトラクタが形成される。

いっぽう時空間学習則に従ったシナプス結合の変化は次の様に進む。シナプス加重の変化は、シナプス後ニューロンが発火しているか否かには無関係に、刺激パターンとシナプス加重の相関のレベルによって強められる。もし刺激がわずかに変化したら、シナプス加重がランダムに分布しているために異なる領域のシナプス加重が強化される。そして到来する繰り返し入力パターンに依存して異なったシナプスが強められる。このことは時空間パターン分離能力を増加させる(塚田とPan, 2005,塚田と山崎, 2006)。

時空間学則の実験的証拠

塚田らによって提案された(1994,1996,2005)時空間学習則(非ヘブ型学習則)は2つの定義された要素からなる。すなわち①シナプス後細胞の発火なしに起きる連合可塑性と②その時間相関による加重である。シナプス後細胞発火なしの連合性可塑的変化(以後連合可塑性と略記する)についてはいままで実験的に検証されていない。いっぽう時間相関による加重の変化については、CA3のシャファー側枝に時間パターン刺激を与える神経生理実験によってそれが誘起される事実を検証してきた(塚田ら、1994、1996)。連合可塑性について、CA3のシャファー側枝へのスパイクタイミングの同時性は連合LTPの誘起に重要な役割を持っている(塚田と山崎,2006)。同胞シナプス・異シナプス連合可塑性はデンドライトのNaチャネルの活性化を抑制した条件下で誘起された。すなわちは、海馬CA1錐体細胞のデンドライトのシナプスでは、シナプス後の細胞発火がなくても実際にLTPが起こりうることを示している。

これらの結果から、CA1錐体細胞のデンドライトのシナプスで2つの入力が同期した場合、そのシナプスは強められ機能的結合がデンドライト上に組織化される。もし2つの入力が非同期の場合、結合は弱まる。この機能的な結合/分離は入力間の時間依存性LTP/LTDによるものである。これはシナプス加重の変化を引き起こす条件としてシナプス前細胞とシナプス後細胞の同時発火が必要なヘブの学習則とは異なる。時空間学習則(非ヘブ型学習則)には2つのダイナミックプロセス(早い(10~30ms)、遅い(150~250ms))を組み込んである。早いプロセスは海馬CA1の一つの加重空間へ投射される様々な入力の空間的同時性を検出するための時間窓として働く。一方、遅いプロセスは事象の一つのまとまった系列の時間加重を制御する機構として働く。我々の報告(相原ら2000)において、実験データに理論式をパラメータフィッティングさせると、早いダイナミクスの時定数は17msとなりこれは海馬におけるガンマ振動に一致した。そして、遅い時定数は169msとなりシータリズムに非常に近い時定数になった。

このことは海馬-記憶システムにおいてセルアセンブリは2つの時間スケールを持ち、時空間文脈の記憶形成に強く関係することを示している。

スパイクタイミング依存性LTP(Spike-Timing-dependent-plasticity: STDP)

ヘブの学習則はシナプス前細胞とシナプス後細胞の同時発火によってシナプス加重が変わるというルールである。このルールはデルタルールとも呼ばれ、これに従えばシナプス後細胞の発火に貢献した相互結合の重みだけが強化される。

この観点から一連の研究はシナプス修飾がEPSPsの競合と逆伝播樹状突起スパイク(back-propagating dendriticspikes;BPDSs)によって誘導されることを示唆し、生理実験によってヘブの提案は支持されている(Markram et al. 1997; Magee and Johnston, 1997; Zhang, et al., 1998; Debanne et al. 1998; Bi and Poo, 1998;Feldman, 2000; Boettiger and Doupe, 2001; Sjostrom et al., 2001;Froemke and Dan, 2002)。EPSPsとBPDSsの時間差に依存するLTPとLTDの非対称性をDebanneら(1998)とBiら(1998)は海馬カルチャーで報告した。海馬スライスにおいては塚田ら(2005)が樹上突起の近位から遠位における場所に依存するLTP/LTDの対称/非対称性を報告した。

この性質にはCA1野における抑制性結合を含むネットワーク構造が関与する。樹状突起遠位におけるLTPは近位の樹上突起に比べMarkov刺激によって与えられる時間パターンに感受性がある(Aihara et al., 2005)。[ 相原ら(2006)]の実験においてはBADSsの振幅は樹状突起近位の入力とBADSsの時間差に応じて変化する。

STRL(のnon-Hebb学習)とHebb学習の共存

我々の実験ではnon-Hebb型のLTPを光学計測(海馬スライス)でも確認している。実験では逆伝播スパイクを電気刺激によって誘導し、この逆伝播を誘導させる電気刺激の発生はSchaffer側枝への刺激時刻に対して+/-15[msec]に発生させた。この連合シナプス性LTPはBPDSsを阻害する低濃度TTX存在下において条件刺激に対して有意に減少するTsukada and Yamazaki, 2006。実験結果から2つの学習則、即ちSTLR学習とHebb学習は海馬CA1野における単ーの錐体細胞に共存している。

カントールコーディングの実験可能性

TsudaとKuroda(2001)はCA3-CA1ネットワークがカントールコーディング機能を有することを理論的に示した。Fukushimaら(2007a,2007b)は時空間刺激によってCA1錐体細胞膜におけるカントールコーディングの可能性を実験的に示した。

シータ振動の位相シフト

シータ・ガンマリズムは海馬の基本的クロックである。感覚情報はガンマ振動により単一事象として収集され、そのいくつかの事象はシータ振動によってグループ化される。我々は周期的ガウス刺激によって与えられたCA3のシータリズムがどのようにCA1錐体細胞の膜電位における振動に影響するかを調べた。Watanabeら(2006)はCA3からの興奮性入力によってCA1錐体細胞の膜電位振動の位相が変調されることを示した。

シナプス前末端からの伝達物質の放出のメカニズム

Kojima and Poulainは、シナプス伝達特性について非定常状ノイズ解析を応用して解析した。一般に非定常状ノイズ解析は、シナプス後部の下膜に存在する受容体イオンチャンネルや電位依存性イオンチャンネルのシングルチャンネルコンダクタンスを求めるために開発された解析方法で、長期増強や長期抑制などのシナプス可塑性に伴う受容体イオンチャンネルの変化を解析するなどに大きな力を発揮してきた。

我々は、この方法をシナプス電流のピーク値のゆらぎに対して適用するという新しい手法を開発した。実験としては、シナプス伝達特性をスペースクランプや電位固定が理想的な形で行えるアメフラシ腹側神経節を利用し、これによってシナプス前部から神経伝達物質が小胞として放出される場合、その放出確率などのうちどのパラメータがもっとも重要であるかを推測することが可能になった。

文脈情報処理の解明についての行動実験

視覚情報、空間認知、報酬等を包括する文脈情報の形成には、海馬の関与が示唆されている。記憶情報の想起過程において、我々は視覚手がかりに対して実験文脈から予期される報酬量と、実際に被験体が獲得した報酬量との一致・不一致に相関して発火率が変化する神経活動を海馬CA1野から記録した(Takahashi et al. 2006)。

皮質

感覚野における古典的条件付け

聴覚皮質における条件付けの効果を確かめるため、我々はモルモットを使った恐怖条件付け課題(Galvan, and Weinberger, 2002) (純音と電気ショックのペアリング)を行った。 我々は恐怖条件付け、及び、他の行動実験や薬理学手法によって(Kacelnik, et al., 2006; Ma, and Suga, 2005; Rutkowski, and Weinberger, 2005)、補乳類の聴覚皮質の可塑性を誘導した。しかし、聴覚恐怖条件づけのphantom signalsの可能性については更なる研究の余地を残した。以下に聴覚実験パラダイムを記する。

聴覚皮質の活動を測定するために、我々の用いた光学計測法は、電位感受性色素により皮質表面を染色し、皮質細胞の電気的活動により生じる、蛍光シグナルを計測することでミリセカンド精度のニューロン集団の電気生理活動の記録を可能とする。条件付けは、4/8/12[Hz]の純音の提示後、即時にモルモット脚部に電気ショックを与えるペア刺激で行った。このペア刺激は60-120[sec]の時間間隔で70回を1個体に与える。4個体の麻酔下モルモットにおいて、モルモット脚部における電気ショックのみに対する聴覚野の応答を同個体の恐怖条件付け前後で比較した。その結果、条件付け後の脚部電気ショックは、聴覚皮質の活性を誘導した。

尚、条件付け前において純音刺激を伴わない脚部電気ショックは、聴覚皮質を活性化しないことは確認している。

感覚野と海馬の相互作用

皮質の記憶システムは2種の入力を受ける。1つは感覚野からの事象情報(local, bottom up)であり、もうひとつは海馬からの文脈情報(global, top down)である。この2つの入力は皮質において動的に相互作用し、その相互作用した情報は長期記憶として皮質に蓄えられる。我々はいかにそれらの入力が聴覚皮質上で相互に作用するかを調査するために、海馬の電気刺激と純音提示をペアリングした。この実験において、聴覚野の活動を光学計測した。この結果、聴覚皮質に音刺激と海馬刺激間のタイミングに依存したゲーテング機構が存在し、タイミングに依存して聴覚野の神経活動が修飾される。その修飾は海馬刺激の強弱に依存して抑制性(弱)から興奮性(強)に変化した(Ide et al., 2006)。

海馬-皮質間の記憶モデル

生理学実験における上記証拠に基づき、理論的な海馬-皮質記憶モデルを我々は提案した(Pan and Tsukada, 2006)。 塚田らは、生理実験に基づいた海馬―皮質系のモデルを提案し文脈に基づく記憶書き込み、および読み出しのモデルを実現している。このモデルはつぎの2段階の機能からなる。

第1段階:塚田らの提案した時空間学習則が有効に働き、海馬神経回路網に時空間の出来事の文脈をつくる。

第2段階:ヘブの学習則により連合野に出来事の類似性の構造(距離空間)をもつ強固なアトラクタ構造をつくる。 このモデルでは海馬の文脈情報と感覚入力のキーパターン情報が長期記憶の入力となる。

前述の実験結果に基づいて、感覚情報入力と海馬情報入力の間の時間関係に依存したタイミング窓を一致性検出回路として導入している。

このモデルの計算機シミュレーション結果によれば、海馬の文脈情報の導入により引き込み領域が拡大するとともに、書き込みおよび読み出し時間が著しく改善され、記憶パターンの正解率も向上した。また、引き込み領域の拡大は、条件刺激音を聴かせた場合のみ聴覚野の応答面積の有意な増加がみられた実験結果を説明していると考える。

計測システム

ガルバノ・ミラーを使った多点高速神経刺激の開発とそのシナプス伝達解析への応用

紫外レーザーアンケージングによる多点高速神経刺激システムを、従来の共焦点顕微鏡及び紫外レーザーの併用により開発した。ニューロンは樹状突起において多くのシナプス入力を受け、それを統合すると考えられている。これらの情報処理機構の解明は神経生理学における中心的なテーマのひとつである。レーザービームとその高速Deflectorを組み合わせることにより、多点を高速で刺激でき神経細胞及び神経回路機能の分析に利用することができる。従来の多くの実験は、電極による局部また多点刺激によって実行されてきた。我々は、現実的な神経活動を模擬するために任意のパターンでアンケージを可能とするシステムを開発した(Kojima et al., 2006)。 我々のシステムは、紫外レーザー光をガルバノ・ミラーによって照射位置を移動させ、サブミリ秒の時間解像度で200 msec 当たり 100 箇所のアンケージングを可能とする。またニューロンのイメージングは、 two-photon 顕微鏡を使い、電気的な生理活性も同時記録する。

人間

ヒトエピソード記憶における感覚皮質と海馬領域の機能的特性

聴覚性に記銘したエピソード(単語)の視覚性再認時における聴覚関連皮質の再賦活(共活性)および海馬領域の活動の特性を、虚再認のパラダイムを用いた実験により検討した。視覚性再認時の脳活動の計測には機能的MRIを用いた。その結果、視覚性再認時の聴覚皮質の活動は記銘時の聴覚経験の有無と対応しており、海馬領域の活動は聴覚経験よりむしろ現在の主観的な再認に忠実な活動を示すことがわかった。これらの結果は、聴覚皮質と海馬領域がそれぞれ異なる役割を担うことにより、過去の聴覚経験を現在の主観や課題文脈に応じて使い分けることを可能にするというモデルを示唆する(Okuda, Sasaki, et al.)。

今後の研究方向

単一海馬CA1錐体細胞の樹状突起-細胞体相互作用

以上の研究結果から、海馬CA1錐体細胞におけるSTLRとHEBB学習則の共存が明らかにされた。STLRでは、シナプス結合強度は入力の"同期"によって決定される(bottom-up)。 一方Hebb学習則においては、樹状突起の局所電位 の加算によって、または感覚入力や覚醒、意思のようなtop-down情報によって発火する(top-down)(Fig. 11C)。

我々はある状況において、無意識にその状況と過去の経験とを比較する。次に発生可能性事象を予測し、予測報酬が最大となるような行動を計画する。この過程において我々の過去、現在、そして展望は混在して働き、我々の行動を生成する。もし行動が適切ではなかった場合、新たな作業仮説が創られ、または推論し、以前の仮説を訂正する。STLR(local information)とHebb(global information)学習則の共存は、以上の脳内の時間経過過程、つまり外部環境と適合するまで反復される内部モデルの修正過程を表現するかもしれない。また強化学習の枠組みにおいては、海馬CA1錐体細胞の樹状突起-細胞体の相互作用は戦略、報酬、価値といった文脈に重要な役を担うであろう(図11.c)。

Cross-modalな知覚情報の統合と情報処理メカニズム

光(視覚情報)と音(聴覚情報)といったCross-modalな知覚情報の統合プロセスやその想起→予測プロセスに関与する情報処理メカニズムに関しては、心理学的研究を除き、神経生理学的な研究は殆どなされていない。我々はCross-modalな知覚情報として、数種類の光と音の組み合わせパターンに対し、reward/punishmentを与えるというGO/NOGO課題を用意し、知覚情報の統合・情報処理プロセスに対する、情動的な情報(reward/punishment)による処理系の修飾について検討を行う。具体的には、上記のGO/NOGO課題を用いてラットをトレーニングし、視覚野、聴覚野、海馬へ電極を埋め込むマルチユニットレコーディングによる慢性実験及び、オプティカルイメージングによる聴覚野・視覚野の学習による可塑的変化を観測する実験を計画している。さらに、紫外レーザーアンケージングシステムを持つ共焦点レーザー顕微鏡を用いた、ラットのin vivo計測を行い、皮質の可塑的変化に対するcaged-dopamine、caged-carbacolによる修飾について調べ、上記のGO/NOGO課題における情動的な情報(reward/punishment)による処理系の修飾との比較検討を行う。

BACH-PICASSOプロジェクト

「あるモノを意味づけるモノは脳内で如何に生み出されるのだろうか?…即ち、ある事象に対する意味づけ、価値づけを行い、我々にそのモノのアイデンティティを知らしめている神経基盤とは一体何なのか?」…この再帰的なプロセス、すなわち他の情報の内に埋め込まれた情報(そしてその再帰的構造)によって言語や意識のコアとなる機能が形作られていることは、多くの言語学者や神経科学者が同意するところであろう。しかしながら、脳がこの特筆すべき巧妙な能力をいかにして実現しているかという問いについて、我々は驚くほど何も知り得てはいない。脳はいかにして心を…特に豊かでかつ複雑な人間の心を支えているのかという謎は、おそらく科学において最後に残されたフロンティアである。これは決して誇張ではない。近年に至るまでクリックやペンローズに代表される偉大な科学者でさえ、この疑問の解決に対して科学が持ちうる力には懐疑的であった。しかし近年議論がさかんとなりつつある認知神経科学の諸研究によって、まさにこの問題へ挑まんとする多くの刺激的で斬新な知見がもたらされている。BACH-PICASSOプロジェクトは「神経回路における知覚的な統合プロセスを経て、いかにして意味づけされた事象が形成(=脳内に表現)されるのか」という(脳と心の問題の)中核をなす疑問に正面から向き合い、その解明を目的とした研究プロジェクトである。文学理論や哲学に着想の端を発することで、我々は新たな思考の単位となるものを構築する基本的な神経メカニズムを研究するための実験手法を確立させた。我々はまた、この疑問の解決に向けて微視的視点(単一シナプスや個々のニューロン間のつながり)から巨視的視点(頭皮電極で計測されたヒト脳波)に至る様々な神経科学的手法を組み合わせた多角的な研究方針を推し進めている。

意味形成のダイナミクスを調べるべく、このプロジェクトでは単一かつ同一の実験パラダイムに対して、微視的~巨視的な多種の神経活動計測技術を組み合わせてゆく。BACH-PICASSOという頭字語は二通りの実験テーマの側面を表している。ひとつはテーマそのもの(視聴覚的混合刺激を知覚的に統合し、そこに「意味」を加える二価的―すなわち嗜好性ないし嫌悪性によって適応的にそのシステムを変化させる計算中枢(=脳))であり、もうひとつは審美的な側面において当初の問いを我々に投げかけた、聴覚(音楽)と視覚(絵画)の分野におけるふたりの偉大なる芸術家への敬意の表れである。

本プロジェクトではオペラント条件づけと古典的条件づけを組み合わせ、条件づけにより当初意味合いを持たない聴覚および視覚刺激の組み合わせ(呈示パターン)に、嗜好性ないし嫌悪性の「意味合い」を加えてゆく。ここで特筆すべき点は、我々がこのひとつに絞り込んだ行動実験パラダイムに対して様々なレベル…即ち単一シナプスから課題遂行中の単一ニューロンの振る舞い、類似の課題を実行中のヒトを被験体とした脳波や脳内血流の測定…に渡るシステム神経科学的検証を行ってゆくことである。

本プロジェクトは、注意、意識、創造的思考、人間が経験するあらゆる未解決な心理的問題に対して、多岐にわたる認知神経科学的手法の集中的な導入がいかに有効であるかを検証する上でも非常に重要な役割を担っている。このプロジェクトが刺激的な実験データをもたらすであろうことは勿論、哲学や文学理論における新しいコンセプト創成の一助となるモノグラフのための潤沢な「議論の燃料」を提供することを我々は確信している。

研究結果 (2002-2006)

海馬

時空間学習則とHebbの学習則の機能的違い

図1 時空間学習則
図2 入力時空間パターン
図3 学習則の比較

時空間学習則(Spatio-temporal Learning Rule; STLR)

神経回路における学習には次の二つのルールが重要である。ひとつは、入力細胞間のタイミング依存性の問題である。ヘブの学習則は、入力と出力細胞の2体の関係だけできまっているが、新しい学習則では多数の入力細胞がどれだけタイミングをあわせて情報を送っているか、あるいは、その空間パターンをシナプス荷重空間に写像することが重要である。そしてもう一点は、時間的な履歴現象があり、順序関係や時間系列の情報をシナプス荷重に写像することである。新しい学習則はこの二つの要素を結合する。この学習則によって、海馬では時空間の文脈をシナプス荷重空間に写像している。

学習則の機能比較(Tsukada and Pan, 2005)

導出した時空間学習則がどのような能力をもっているか、その機能をヘブの学習則と比較してみた。入力が相互にランダムに結合している120からなる一層のネットワークを構築した。シナプス荷重の初期値は、小さい値の範囲でランダムにし、ヘブの学習則と時空間学習則を用いて入力の時空間パターンを学習させ、そのパターン分離機能を調べてみた。

用いた入力時空間パターン(図2)は、ひとつの空間が120個のビットパターンで構成され、50パーセントを1に、残りの50パーセントを0にセットしておく。次に、その空間パターンからランダムに1と0を4個選びそのビットをかえた空間パターン(互いに8ビットパターンが異なる)を5個つくる。したがって、そのハミング距離は互いに8違っている。この5個の空間パターンを1つの系列パターン(時空間パターン)とし、その先頭から4個の空間パターンの順序をいれかえると、24個の時空間パターンができる。この24個の時空間パターンを学習させる。学習後入力に対し24個の出力パターンがえられる。その出力が入力の24個の時空間パターンを分離できるかどうかを、ハミング距離を用いて調べてみた結果を図3に示す。

図3では、ハミング距離を横軸にとっているので、出力パターンが類似なパターンであれば0の近傍に、互いに異なったパターンであれば原点より遠方に離れる。ヘブの学習則とヘブの拡張則であるコバリアンス学習則ではその出力は24個の入力時空間パターンパターンに対してほとんど類似な出力になる。すなわち、ヘブの学習則の場合、同一の出力パターンにすべての入力を引き寄せる性質があります。それに対して、時空間学習則は距離空間上に広く分布し分散している。したがって、パターン分離という観点からは、時空間学習則はパターン分離能力が高く、ヘブの学習則は分離能力が低いことが分かる。

時空間学習則の実験的検証

ラット海馬CA1領域の連合性LTP誘導機構(Tsukada and Yamazaki, 2006)

「送り手の細胞(入力細胞)がスパイクを送ったとき、シナプスを介してそれを受け取った細胞(出力細胞)が発火すれば、そのシナプス結合は強化される」というHebbの仮説は、提唱以来様々な神経ネットワークにおいて実験的検証がなされてきている。しかし、塚田らは入力-入力間のタイミング依存性とその履歴効果を考慮した時空間学習則を提案し、モデルを用いてパターン分離能力の飛躍的向上を示してきた (Tsukada & Pan, 2005)。本研究では、出力スパイクに依存しない(Hebb学習ではない)入力-入力タイミング依存性LTPの性質を調べ、時空間学習則の実体を実験的に明らかにすることを目的としている。

フィールドポテンシャル計測法を用いて、海馬CA1放線層の独立した二つの経路へそれぞれ低頻度(0.2 Hz)のバースト刺激とパルス刺激を同時に与えたときに後シナプス樹状突起に形成されるLTPの大きさについて検証した。 通常の実験条件下(コントロール)ではバースト刺激とパルス刺激が形成するLTPの増強率 には有意な差は見られなかった (図4;155.5 ± 11.5 % vs. 149.8 ± 9.6 %;N = 11;P > 0.05)。 パルス刺激はそれ自身ではLTPを生じなかった (図5;103.4 ± 6.0 %;N = 6) ので、後者のLTPはバースト刺激との連合により形成された異シナプス性のLTPであると考えられる。 このようなLTPの連合性は海馬CA1野の錐体細胞が持つ重要な性質の一つである。本研究ではさらに、灌流液中に低濃度(10-20 nM)のTTXを混入し、樹状突起の逆伝播活動電位を消滅させた状態でも、 パルス刺激のみを与えた場合と比べて有意な異シナプス性の連合性LTPが形成されることを示した (図6(白丸);122.1 ± 5.8 %;N = 9)。 言い換えれば、異シナプス性の連合性LTPは逆伝播活動電位と無関係(独立)に誘起された。このような連合性LTPの逆伝播活動電位からの独立性は、 時空間学習則の妥当性を実験的に証明するものである。また、 パッチクランプ法を用いても活動電位をまったく発生させない条件で、独立2入力系強弱刺激での連合性LTPが成立する結果も得ることができた。


図4 コントロール条件下において誘導された連合性LTP
図5 パルス刺激だけではLTPは形成されない
図6 低濃度TTX適用下において誘導された連合性LTP



スパイクタイミング依存性LTP(STDP-Hebbタイプ学習則)

光計測法を用いた海馬CA1野におけるSTDPの空間的解析(Tsukada et al. 2006)

近年、シナプス後細胞を発火させると、スパイクの軸索上の逆伝播が起こり、シナプス前細胞からの入力による興奮性シナプス後膜電位(EPSP)とのタイミングがある時間範囲にあるとき、長期増強あるいは長期抑圧が起こる現象(STDP)が報告されている。すなわち、シナプス後細胞の発火情報が逆伝播をしてシナプス前細胞発火の情報と結びついて、そのシナプスの伝達効率を変化させている。BiとPoo(1998)は、海馬のカルチャーニューロンを用いてその時間窓が非対称型になることを示した。具体的にはスパイク逆伝播がEPSPより20ms以内で先行する場合はLTD、その反対に20ms以内で遅れる場合はLTPになることを示した。 我々は海馬のスライスを用いて実験を行い、抑制回路を含むCA1野の神経回路網におけるSTDPの特性を、光計測法を用いた多点同時計測を行うことにより調べた。結果として図7のように細胞層付近ではメキシカンハット型の特性が得られ、細胞層から遠いところでは、非対称型の特性が得られた。このことはCA1野には、STDPの場所依存性があることを示している。また、GABA受容体の拮抗剤であるAPVを投与すると、メキシカンハット型の特性は非対称の特性に変化した。よって、CA1野の回路網におけるSTDPの時間窓の特性は、抑制性細胞に大きく影響を受けていることがわかった。

図7 The location dependency of STDP along the dendrite STDP was investigated spatially by using optical imaging with a voltage sensitive dye.The profiles of STDP could be classified into two types depending on location, a symmetric time window at the proximal dendrite (PD),an asymmetric time window at the distal dendrite (DD). Bicuculline application showed GABAergic interneuron projections were responsible for the symmetry of a time window.



図8 The histogram of the average magnitude of LTPs calculated in three divided parts of area a1, a4, and a7. The mean magnitude of LTP induced proximal to the cell layer (PD; <100μm), distal to the cell layer (DD; 200-300μm) and in the middle of these two areas (MD; 100-200μm), are represented as VPD, VMD, and VDD, respectively.The white upper-surface and the black upper-surface of the histogram show LTP and LTD, respectively.

海馬CA1野の長期増強/抑圧の時空間情報処理(Aihara et. al 2005)

海馬CA1野の長期増(LTP: Long-term potentiation)は、刺激時間間隔の統計量に依存する。これまでは、海馬スライス標本を用いて、統計的な時間パターン刺激(マルコフ刺激;1次の統計量である刺激間隔の平均・分布形が同一で2次の統計量である相続く刺激間隔の相関が異なる時系列)を用いて誘起される刺激時間パターン依存性LTPを評価してきた。しかし、それら時間パターンが、いかに海馬CA1野神経回路網の空間構造にマッピングされるかという時空間コーディングに関する問題に関しては、未だ明らかになっていなかった。そこで、本研究では光計測法を用いて多点同時計測を行い、入力時間パターンの高次の統計量がLTPの空間分布にいかに影響を与えるかを調べた。刺激時間パターには正の相関(ρ= - 0.8)から負の相関(ρ= - 0.8)まで5種類の時間パターンを与え、LTPあるいはLTDの空間分布を計測した。結果として、負の相関ではLTP以外にLTDも観察され、正の相関では広い範囲に非常に大きなLTPが誘起され、2次の統計量の違いにより、LTPの空間パターンに大きく違いが見られることが分かった。また、時間パターン間で、樹状突起遠位におけるLTPは近位の樹上突起に比べ大きく変化した。このことから時間パターン感受性は樹状突起の場所により違いがあることが分かった。(Aihara et al., 2005)

図9 BAP刺激とPD刺激のペアリングにおけるBAPの伝播の様子(A)はτ=5msec(B)はτ=20msecのペアリング刺激の光応答を示す。 矢印は入力位置で、(P)、(D)、(L)は計測場所を示す。 (P):Proximal Dendrite (D):Distal Dendrite (L):Lacunosum Moleculare

Proximalデンドライト入力のDistalデンドライト情報処理への影響(Aihara et al. 2006)

脳の記憶・学習に深く関与する海馬において、入力の頻度や期間に依存してシナプスの伝播効率が長期にわたって増大するLTP(Long Term Potentiation:長期増強)、あるいは減少するLTD(Long Term Depression:長期抑圧)という現象がある。近年、前シナプス入力がもたらすEPSP(Excitatory Post-synaptic potential:興奮性シナプス後電位)と後シナプスニューロン発火に伴い樹状突起を逆伝播するBAP(Back-propagated Action Potential;逆伝播活動電位)のタイミングの違いにより、シナプス可塑性の方向が異なるSTDP(Spike-Timing Dependent Plasticity:スパイクタイミング依存性可塑性)が報告されている。本実験では、BAPとProximalデンドライト(樹状突起細胞体近位部)におけるEPSPとのペアリングのタイミングによるSTDPがDistalデンドライト(樹状突起細胞体遠位部)での膜電位に及ぼす影響を光計測法を用いて計測・解析した.結果として,BAPとProximalデンドライト入力が同時に到来したときにBAPが増幅されDistalデンドライトで観測された。一方、Proximalデンドライト入力に20msec遅れたタイミングでBAPが到来したときには、BAPが抑圧されDistalデンドライトで観測された。これらの結果は、Distalデンドライトにおける情報処理に対するProximalデンドライト入力の因果性の存在を示唆し、新しい学習則の基盤となりうると考えられる。

今後は、これらの結果を踏まえ、マルチチャネルの時空間コーディング(記憶の書き込み)へと発展させていく。ネットワークレベルの相互作用による連携した高次機能における記憶の情報処理の解明、そして理論解析およびモデル構築とその基盤となる学習側の同定にまで研究を進め、記憶に関する統合的な回路網レベル情報処理の解明を行いたい。

STRL(のnonHebb学習)とHebb学習の共存

時空間学習則の実験的検証の (Tsukada and Yamazaki, 2006)を参照

カントールコーディングの実験的可能性

図10 Cluster index and nonlinear index by previous patterns of electrical stimulations. (a)Cluster index by previous patterns of electrical stimulation in "subthreshold" and "suprathreshold" conditions (see also materials and methods). Black solid and dotted lines indicate cluster index in "subthreshold" and "suprathreshold" conditions, respectively. Gray solid and dotted lines indicate randomized control of "subthreshold" and "suprathreshold" conditions respectively. X- and Y-axis indicates history of stimulating patterns and cluster index, respectively. Error bar indicates standard errors of the mean. *: p<0.05 (b)Nonlinear index of the neurons in "subthreshold" and "suprathreshold" conditions (See also materials and methods). X- and Y-axis indicates history of stimulating patterns and nonlinear index, respectively. Error bar indicates standard errors of the mean. *: p<0.05 (c)Mean standardized deviation in "subthreshold" and "suprathreshold conditions". X- and Y-axis indicates history of the stimulating patterns and mean of the neurons, respectively. Error bar indicates standard errors of the mean.

海馬CA1野錐体細胞における情報処理のカントール性(Fukushima et al. 2007a2007b)

カントール集合をもとにした力学系でアトラクターのフラクタル次元が位相次元よりはるかに大きいものは、そのアトラクターがノイズに強い。このようなカントール集合を基にした力学系が、海馬CA1野における神経回路網の荷重空間への埋め込みに関係しておりエピソード記憶の形成に関与している可能性があることが津田らによって示された(Kuroda and Tsuda, 2002)。しかし、その実験的な実証は今まで行われていなかった。そこで、私は、実際の神経細胞にランダム入力刺激を与えたときの応答のクラスター化について検討することにより、カントール性について検討した。

刺激開始から12~15msまでの間の膜応答のピーク値をその刺激に対する応答の指標とし、応答を刺激のパターンおよびその履歴によって分類した。その結果、刺激のパターンやその履歴に対応したクラスター化がみられた。個々の応答は、少なくとも二つ前までの履歴に応じた応答を示すことがわかった。このことは、神経細胞がカントール集合様のダイナミクスを用いた情報処理をおこなっており、履歴を内包した形で個々の応答をおこなっていることを示唆している。これらの結果は、海馬CA1野錐体細胞において、時空間学習則における「時空間情報の神経回路網における荷重空間への埋め込み」の処理が実際に行われていることを示唆している。また、応答時の膜電位によって履歴のクラスター化に違いが現れることがわかった。これらの性質の生理的基盤を明らかにするため、NMDA受容体のブロッカーであるAPVを投与した例について解析をおこなった結果、膜電位依存性のクラスター化の割合が減少した。このことより、NMDA受容体を介する機構がカントールな情報処理の膜電位依存性に関係していることが明らかになった。

シータ振動の位相シフト

図11 Phase distribution of MPOs in response to the paired stimulations. The phase (ffilled circle) of MPOs indicate temporal differences of the positive peaks between MPO in response to a somatic current injection and the the paired-stimulation-induced MPO. The subtractive phase (fhopen square) analysis reveals a phase-shift property, depending on these MPO amplitudes (Vres) of each cycle in MPO. The phase shift courses are demonstrated by the linear summation model (dotted lines).

海馬における錐体細胞群の非同期シータ的周期膜電位振動仮説の提案と生理実験による検証(Watanabe et al. 2006)

記憶機能の発現に重要な役割を担うと考えられているシータ波に注目した。行動中のラット海馬錐体細胞はシータ波発生中に異なる位相を持つ独立な周期入力を受けている背景を踏まえ、海馬スライスを用いて異なる位相を持つ複数のシータ周期入力がある場合の錐体細胞の応答を計測した。下記成果を通じて本研究はシータ周期の細胞膜電位振動の位相の分散特性を明らかにした。

<成果1> 周期的なシナプス刺激によって発生した膜電位振動の振幅依存性位相遅延

CA1錐体細胞は5Hzの周期をもつシナプス刺激列に対し、膜電位振動を誘起し、その振動振幅の増加に依存して遅延が小となる現象を観測した(遅延 27.5 ± 8.2 msec; n=10)。この現象はシナプス遅延には依存しない。また刺激列を構成する単刺激に対するシナプス応答についてその振幅の増大及び減衰時定数の増加は振動振幅の増大に寄与する。即ち振動振幅の増大は樹状突起上におけるtemporal summation of EPSPsによって発生したと考えられる。

<成果2> 異なる位相差をもつ2つの周期刺激の同時入力によって誘発される膜電位振動の位相分布

2種独立な周期刺激の同時入力によって誘発される膜電位振動の位相は2つ刺激のサイン波形の線形和とシナプス刺激に誘導される位相遅延の混成によって近似できた(図11)。本結果はin vivoにおいてシータ波発生中の海馬錐体細胞の膜電位振動は興奮性シナプスの入力効果によって変調されている可能性を示唆する。

中枢神経系のシナプス伝達のメカニズムとその制御機構

中枢神経系の内、海馬錐体細胞、小脳プルキンエ細胞、アメフラシ神経節細胞を実験系として研究を行った。

1.神経伝達物質のシナプス前末端からの放出のメカニズム

一般にテタヌストキシンは、シナプス伝達放出におけるVAMP/synaptobrevinを切断することによって小胞からの神経伝達物質放出をブロックしていると考えられている。我々は、培養小脳スライス標本を利用してプルキンエ細胞にシナプスする抑制性神経細胞からの神経伝達物質(GABA)放出のメカニズムとそのテタヌストキシンによる制御機構について研究を行った。実験は、パッチクランプ法を用いた電気生理学的計測によって自発性抑制性シナプス電流を種々の条件下で記録し、その頻度やピーク電流値のヒストグラム構築しそれらを解析した。これらの一連の電気生理実験によりphosphatidylinositol-specific phospholipase C (PIPLC)が、テタヌストキシンによるVAMPの切断を抑制することによって、エキソサイトーシスに対するテタヌストキシンの抑制作用が、PIPLCを小脳プルキンエ細胞とインキュベートすることによってブロックされるという結果を得た。また、ナイスタチンやフィリピンなどの化学物質もテタヌストキシンによるVAMPの切断を抑えるという結果がえられた。従って、テタヌストキシンは、raftsやGPI-anchored proteinをその受容体として必要としていることが示された。(Kojima , Muruno and Poulain, 2001)

2.アメフラシの腹側神経節におけるシナプス伝達の特性

アメフラシの腹側神経節におけるシナプス伝達の特性を非定常状ノイズ解析を応用して解析した。一般に非定常状ノイズ解析は、シナプス後部の下膜に存在する受容体イオンチャンネルや電位依存性イオンチャンネルのシングルチャンネルコンダクタンスを求めるために開発された解析方法で、長期増強や長期抑制などのシナプス可塑性に伴う受容体イオンチャンネルの変化を解析するなどに大きな力を発揮してきた。我々は、この方法をシナプス電流のピーク値のゆらぎに対して適用した。これによってシナプス前部から神経伝達物質が小胞として放出される場合、その放出確率などのうちどのパラメータがもっとも重要であるかを推測することが可能になった。(Kojima, Poulan and Humeau, 2001)

3.電位感受性色素による光計測を利用したCaMKII-transgenic mouseの海馬CA1領野における興奮性シナプスを介する神経活動の広がり

CaMKII-transgenic mouse海馬CA1野の興奮性神経活動の広がりを調べるために、蛍光型電位感受性色素であるDi-4-Aneppsで300μmの厚さの急性スライス海馬標本を染色した。染色したスライス標本を成立タイプの顕微鏡にのせたphoto-diode array(Redshirt社製)によって電位変化に伴う蛍光変化を記録した。シャーファー側枝の電気的刺激によって錐体細胞の尖頭樹状シナプス部位において数 msecの速い成分とその後に続く遅い数十msecの時間経過をとる電位変化に伴う光信号が計測された。薬理学的な実験によって、これらの成分が同定された。同様の実験を野生型及び遺伝子組み換え型の両方のマウスで行いそれぞれのシナプス伝達特性を解析した。これらの一連の実験により遺伝子組み換えを行ったマウスからも電位感受性色素による光計測実験を行うことが可能であり、パッチクランプを利用した電気生理学的実験と組み合わせることによって多くの結果がえられ今後のこの分野における大きな飛躍の可能性が示唆された。

文脈構造についての行動実験

文脈によって予期される情報と行動結果の一致性検出機構(海馬)(Takahashi et al. 2006)

【研究背景】

海馬はエピソード記憶をはじめとするいくつかの種類の記憶情報処理過程に深く関与していると考えられている。近年の海馬機能に関する計算論的研究は、海馬を構成する3つの主要領域(歯状回、CA3野、CA1野)にそれぞれ異なる役割を仮定するものが多い。その中にあって海馬神経回路網の出力層に相当するCA1野には、CA3野の自己連想型ネットワークによって過去のエピソード履歴から補完的に想起された次の状況に関する記憶情報が提供され、一方で海馬歯状回への主要な入力部位である嗅内野からの逆行的な直接入力を受けていることが知られている。これらの知見から、嗅内野由来の投射が感覚入力をCA1野に提供することによって、CA3野からの想起情報と嗅内野からの感覚情報との一致・不一致をこの領域が検出し、想起情報の的確度に関する再評価やその精度の向上に重要な役割を果たしている可能性が考えられる。しかしCA1野の機能をこのような側面から捉えた神経科学的研究はこれまでにほとんどなく、生理学的知見に乏しい。上記仮説の検証は海馬における記憶情報処理のメカニズム解明に向けて重要かつ斬新な知見を提供するものと思われる。そこで本研究では、行動課題中のラットから背側CA1野のユニット活動を最大12本のテトロード電極による多細胞同時記録法によって計測し、上記の観点からラットのとった行動と神経活動との関連性について検討を行った。

【方法(行動課題)】

ラットには左右のノーズポークを一定の遅延期間を挟んで交互に選択することを要求する遅延交代系列課題(delayed alternation task: ALT課題)と、同じく一定の遅延期間を挟んで視覚手がかりによってランダムに指示された方向のノーズポークを選択する視覚手がかり弁別課題(visual cue-guided discrimination task: V課題)のふたつの課題を学習させた。ALT課題の訓練後、V課題を学習したラットにはALT課題のみならずV課題においても、遅延期間内に直前の試行で選択したノーズポークと反対の方向のノーズポーク前で待機する傾向が確認された。この傾向はV課題のみを訓練したラットには見られない傾向であり、ラットがALT課題に内在する規則性に基づいて次の正答方向を予測していることを示唆する行動的証拠である。すなわち、ラットは実験文脈と直前に報酬を獲得した方向というエピソード履歴から、次に視覚手がかりによって指示される方向を補完的に想起していると考えられる。V課題では実際の正答方向は左右等確率でランダムに決定されるため、ラットの予測が実際の感覚入力(視覚手がかりの指示)と一致する場合と不一致する場合とがこの課題設定によって実現可能である。

図12 An example of error-related (outcome-mismatching correlates) unit. When the correct response to the nosepoke (upper histogram),, this unit shows slight increase of its firing rate after the responses, whereas in error responses, strong bursts can be observed (lower histogram).

【結果】

もしもこのような想起情報と感覚入力との比較が海馬CA1野を中心とする神経回路網で行われているとするならば、視覚手がかりの提示タイミングにタイムロックした神経活動がCA1野から計測されるはずである。本研究では5匹の雄性Wistar/ST系ラットを用い、合計12回のV課題中の計測データに含まれる144個のCA1錐体細胞の単一ユニット活動について解析を行った。このうち64個が遅延期間からノーズポーク選択2秒後までの間に4Hz以上の発火を示した。さらにそのうちの28個のユニットが視覚手がかり提示中に発火を示したが、提示タイミングにタイムロックした発火頻度上昇を示すものはなく、手がかり提示後にノーズポークへ接近し選択するタイミングにタイムロックした活動を示すユニット(approaching correlates unit: APユニット)であった。APユニット中14個はラットが予測した正答方向と手がかりの指示の一致・不一致に関わらず、ある方向のノーズポークに対する接近に対して反応するユニットであった。これに対して8個のAPユニットはラットの予測した方向と手がかりの指示が不一致した際に、該当方向へ軌道を修正する行動過程で選択的に反応するユニットであった。

また、17個のユニットはラットが報酬を獲得したタイミングにタイムロックした活動を示した。これらの活動もまたラットがポーキング行動の後に受ける感覚入力をあらかじめ想起し、実際の感覚入力との比較が一致したケースという枠組みで捕らえることができる(outcome-matching correlates unit: OMユニット)。逆に行動後の想起情報が感覚入力と不一致したケース、すなわちエラー反応に対して選択的な反応を示したユニットは2つのみであった(outcome-mismatching correlates unit: OMMユニット)。

【考察】

視覚刺激の提示に対してこれにタイムロックした活動が観測されなかったことは、他のモダリティを弁別刺激とした課題での報告と異なる結果であった(例として嗅覚弁別(Eichenbaum, et al., 1987)、聴覚弁別(Sakurai, 1994))。この原因としては、まず予測した方向と指示が一致した場合は、即座にノーズポークへの接近が始まるためAPユニットとの分離が困難であったことが挙げられる。また不一致の場合は、反対方向のノーズポークへの移動に要する時間が試行ごとにばらつきがあることから、手がかりの指示に気づくまでのプロセス(例えばattention shiftに要する時間)のばらつきが刺激提示タイミングをトリガとした統計的解析の結果を不明確にしている可能性が考えられる。これは同時に海馬における一致・不一致の検出は刺激提示を受けた機械的・ボトムアップ的な処理ではなく、より認知的・トップダウン的な処理のプロセスを反映している可能性を示唆している。APユニットのうち行動を修正する軌跡上で発火をみせたものは、そうした想起情報と感覚入力の間に生じた認知的なギャップを修正するプロセスに関与しているのかもしれない。
ノーズポーク選択後の活動についてOMユニットが観測されたのに対してOMMユニットがほとんど観測されなかったことの要因としては、海馬の背側と腹側における機能分離が考えられる。ヒト海馬を対象としたfMRI研究から、吻側(ラットの腹側相当)は新奇性刺激に対して反応を示し、尾側(ラットの背側相当)は親近性刺激に対して反応を示す知見が報告されている(Strange, et al., 1999)。予測と一致した入力(報酬)は親近性の刺激提示と類似の効果を持つものと思われる。その点において本実験で背側CA1野にOMユニットが多く観測された事実は先行研究の知見と一致する。一方、予測と異なる結果(報酬の非到来)は新奇性刺激に近い効果を持つものと思われることから、ラットの海馬においてもエラー反応に対する活発な神経活動は腹側で起こっている可能性が考えられる。これは腹側CA1から単一シナプスでの線維投射を受ける内側前頭前野が新奇性検出に重要な役割を果たすと考えられていることからも、今後の発展的な研究を必要とする課題と考える。



皮質

感覚皮質における古典的条件付け

恐怖条件付け学習によりモルモット聴覚野に生じる可塑的変化の光計測(Ide et al. 2006)

音と電気刺激による恐怖反応条件付けは情動記憶の研究でよく用いられているが、このパラダイムを用いた大脳皮質聴覚野の可塑性の研究も多く行われている。Weinberger らは、この恐怖反応条件付けによって大脳皮質聴覚野細胞の周波数受容野が変化し、条件付けに用いた周波数への同調が強くなることを示した。また、大脳皮質聴覚野の空間表現は周波数局在として存在しているが、 Merzenich らはサルに周波数弁別課題を行わせると大脳皮質一次聴覚野の訓練周波数に対応する領域が拡大することを示している。本研究では、モルモットに対して条件刺激(Conditioned Stimulus, CS)に純音、 無条件刺激(Unconditioned Stimulus, US)に両足への電気刺激を用いる恐怖反応条件付けを行った。この恐怖条件付けにより聴覚野に生じる可塑的な変化について、電位感受性色素による光計測法を用いた2つの実験により調べた。まず、純音と両足電気刺激による連合学習を行う前後で、条件付けに用いたCS音(12 kHz)と条件付けに用いていないNon-CS音(8,16 kHz)に対する聴覚野の応答変化について調べた。その結果、CS音を提示した場合に限り、条件付け後に応答領域の増大が確認され(図13)、上述の先行研究と一致する結果が得られた。一方、音刺激ではなく、両足への電気刺激によっても、連合学習した音に関する情報が想起されるのではないかという観点から、音刺激を提示せず両足電気刺激だけを与えた場合の聴覚野応答を調べた。その結果、条件付け前には全く見られなかった両足電気刺激に対する聴覚野の応答が条件付け後に観測された(図14)。さらに、CS音と両足電気刺激に対する聴覚野応答領域には、相関が見られることが分かった(図15)。音と電気刺激による条件付け時に前脳基底部から放出されるアセチルコリン(ACh)が大脳皮質聴覚野を誘導している可能性が多くの研究により指摘され、このAChはNMDA受容体に作用して大脳皮質聴覚野の可塑的変化を促進していると想定されている。NMDA受容体を介した興奮性活動が等周波数帯を越える形で存在することが報告されており、NMDA受容体依存性のLTPが応答領域増加の機序であることが示唆される。応答領域の相関については、まず条件付けによりCS音に対する聴覚応答(NMDA受容体による応答成分)にLTPが生じ、条件付け後、聴覚皮質II, III層に存在するNMDA受容体のうち、条件付けによりLTPの生じた箇所に、両足電気刺激によるEPSPが生ずると考えられる。従って、聴覚野の応答領域に関して、CS音に対する応答領域と相関があり、この時、CS音に関する音情報が想起されている可能性が示唆される。

図13 条件付け前後での音刺激に対する聴覚野応答画像
図14 条件付け前後での両足電気刺激に対する聴覚野応答画像
図15 CS音12 kHzで条件付けした場合のCS音, 電気刺激それぞれに対する聴覚応答



大脳皮質における感覚皮質と海馬の情報の相互作用 (Ide et al.2006)

記憶の書き込みは次の2つの過程から成っていると考えられる。第1の過程は出来事などの情報を時空間の文脈として蓄える短期記憶の過程であり、海馬にその機能が存在すると考えられている。第2の過程は海馬での一時的な短期記憶を必要に応じて安定して蓄える長期記憶の過程であり、皮質(連合野)存在すると考えられている。 そこには文脈の類似性や関連性に基づいた記憶構造が存在している。 従って、海馬―皮質系の記憶書き込み過程では2段階の学習過程が存在し、海馬と皮質ではその機能に適した学習則が存在している。しかしながら、海馬―皮質間の情報の動的な相互作用に関する記憶や学習のメカニズムについては、あまり良く分かっていないのが現状である。

本研究では海馬CA1と大脳皮質聴覚野の相互作用を調べるため、麻酔下のモルモットの海馬CA1に電気刺激、聴覚に音を提示して大脳皮質聴覚野に生じる応答を膜電位感受性色素(RH795)による光計測法を用いて記録した。海馬CA1へは双極のタングステン電極を刺入し、0.19 mAで100 msのパルスによって電流刺激を与えた。その結果、海馬CA1への電気刺激と音刺激のタイミングに依存して聴覚野に生じる神経活動が修飾されることが明らかとなり、その応答は通常(音刺激単独の場合)に比べて抑制されることが分かった(図16)。この現象は、聴覚皮質に感覚情報と海馬情報の間にタイミングに依存したゲーティング(タイミング窓)が存在することを示している。

さらに、海馬CA1活動の強さの違いによって聴覚野の応答に異なった影響が生じるかを調べるため、海馬CA1の電流刺激強度を0.19 mAから0.76 mAまで変化させて聴覚野の応答を比較した。電流強度を変化させることは海馬CA1内の活動するニューロンの数を変化させることに相当する。この結果、電流強度が0.38 mA以下では海馬への刺激は聴覚野の応答に対し抑制性に働くが、0.57 mA以上では興奮性に働くことが分かった(図17)。 このように海馬CA1の活動規模によって聴覚野の応答に対し抑制性と興奮性の修飾が生じることは、海馬から大脳皮質聴覚野への情報を書き込む際に、より能力の高い情報処理が可能であることを意味している。また、この応答変化を詳しく解析した結果、海馬刺激による聴覚野応答の修飾は空間的に一様ではなく、聴覚野の腹側より背側で応答変化がより大きいことが分かった。

図16 海馬刺激による聴覚野応答の抑制
図17 海馬刺激強度の違いによる聴覚野応答への効果



海馬‐皮質モデルの記憶の理論モデル(Pan and Tsukada, 2006)

図18 The structure of the hippocampal-cortical memory system

海馬と皮質記憶システムの間の相互作用 (Pan and Tsukada, 2006)

一般に、海馬―皮質系回路網は、記憶の書き込みと読み出しのための特別な構造をしていることが知られている。海馬は、短期記憶の保持の働きを担っていて、一方大脳皮質は長期記憶の保持の働きを担っている。いかに海馬の短期記憶が皮質の長期記憶に変換されるのだろうか。我々は、生理学的証拠に基づき海馬―皮質系記憶システムの理論モデルを提案した(図18)。このモデルは、感覚システム、海馬(短期記憶)、連合皮質(長期増強)の3つのコンポーネントからなる。1シリーズのキーコード(ローカルな情報)が感覚システムから連合皮質に与えられ、一方海馬それらの文脈情報(グローバルな情報)が連合皮質に与えられる。この2入力が連合皮質で動的に相互作用を行う。そしてこのとき連合皮質のニューロンは時間的一致検出器として働く。皮質の神経回路網は記憶情報を一致時間窓(the coincidence window)を通して記憶情報を獲得し、最後にアトラクタの形でそれを記憶する。このローカル-グローバル情報によって、連合皮質の記憶の蓄積場所がデザインされ、記憶の書き込みと読み出しの情報処理が実現可能となる (図19,20)。

図19 The capability of storing patterns in the associative cortex. (a) The memory system without hippocampus, and (b) the system with hippocampus. The three curves represent different learning rules: the Hebbian learning rule (the circle-curve), the global Hebbian learning rule (the square-curve) and the spatiotemporal learning rule (the triangle-line)
図20 The courses of retrieving patterns from the cortex under the three learning rules. (a) The Hebbian learning rule, (b) the global Hebbian learning rule and (c) the spatiotemporal learning rule. In these figures, the triangle-curve is the result from the memory system without the hippocampus, while the square-curve is the data from the memory system with the hippocampus.



人間

ヒトエピソード記憶における感覚皮質と海馬領域の機能的特性(Okuda, Sasaki, et al.)

図21 聴覚経験の有無を再現する聴覚皮質の活動(上段)および主観的再認の有無に対応する海馬領域の活動(下段)。グラフは課題中の平均MRI信号よりの各試行条件におけるMRI信号の増減を示す。黒塗りは過去の聴覚経験の有る試行(上段)および主観的再認を伴う試行(下段)を示す

聴覚皮質における聴覚経験の再賦活ならびに海馬領域における主観的な記憶想起

ヒトを含む動物の記憶機能を支える基本的なメカニズムのひとつとして「経験により複数の事象同士を意味のある文脈として連合させる」ことが挙げられ、古くより古典的条件付けとして動物の行動・生理実験からこれを支持するデータが示されている(前項Ide et al.参照)。しかしながら、このような過程がエピソード記憶などヒトに特化しているとされる意識的・意図的な記憶形態においてもどの程度共通して役割を果たしているかについては明らかではない。本研究では、動物やヒトに共通する脳内の基礎的な記憶神経メカニズムのひとつとして共活性(ある事象に対応した神経活動が脳内で再生されたときにその事象と同一文脈で経験した別の事象に対応する神経活動の一部も同時に再現されること)を仮定し、このようなメカニズムがヒトのエピソード記憶においてどのように関わるか機能的MRIを用いて検証した。すなわち、聴覚性に記銘したエピソード(単語)の視覚性再認時における聴覚関連皮質の再賦活(共活性)および海馬領域の活動特性に関して、虚再認(実際には経験していない出来事を誤って経験したと認識すること)のパラダイムを利用して実験・検討を行った。

手続きとして、健常な若年被験者27名に対し、MRIスキャン前に意味的に関連のある単語よりなるリスト(例:飴、ガム、キャラメル、...)を聴覚的に呈示し、これらを意識的に憶えるように指示した。心理学的な先行研究より、このような単語リストが高い確率で虚再認を誘発することが既に示されている(Deese, 1959; Roediger and McDermott, 1995)。本実験では15単語よりなる単語リストを一度に20リスト呈示した(計300語)。引き続きMRIスキャナー内にて、実際に呈示した単語(飴)、呈示されていないが虚再認を誘発する単語(お菓子)、呈示されず虚再認も起こさない単語(雲)を被験者に視覚的に呈示し、先程聞いた単語であるかどうかの再認判断をボタン押しで行わせた。また、意図的な虚偽と無自覚的な虚再認とでの脳活動の違いを検討するために、意図的に虚偽の反応をさせる条件を別に設けた。これら再認課題中の脳活動を機能的MRIの手法により、脳血中酸化還元レベル依存(BOLD)信号として計測した。各被験者に対し聴覚的記銘―視覚的再認のセットは計2セッション行った。

実再認(聞いた単語を正しく聞いたと反応)、虚再認(聞いていない単語を誤って聞いたと反応)、正棄却(聞いていない単語を正しく聞いていないと反応)、意図的虚偽の全てにおいてチャンスレベル(トライアル数では20試行)以上の成績を示した被験者20名を対象に脳活動解析を行った。その結果、両側の側頭葉聴覚連合皮質において、実再認試行で虚再認試行よりも有意に活動が上昇していた。さらに、この聴覚皮質の活動は実際に聞いた単語に対して「聞いていない」と反応をするタイプの意図的虚偽においても上昇しており、逆に聞いていない単語に対して「聞いた」と反応するタイプの意図的虚偽や聞いていない単語に対する正棄却の試行においては上昇していなかった(図21上段)。これに対し、海馬を中心とする内側側頭葉領域の活動は聞いた単語を正しく再認する実再認試行に加え、聞いていないはずの単語を「聞いた」と誤って反応してしまう虚再認試行でも認められたが、聞いていない単語に対して意図的に「聞いた」と虚偽の反応をする試行においては認められなかった(図21下段)。

再認課題は視覚的に呈示した文字単語に対して行っており聴覚的な刺激の呈示は無かったにも関わらず実再認中に聴覚皮質の活動が上昇していたことは、実再認において聴覚皮質が過去の記銘時の活動を再現させていたことを示唆する(Nyberg et al., 2000; Wheeler et al., 2000; Polyn et al., 2005)。聞いていない言葉に対して「聞いた」と(誤りであれ意図的であれ)答えるときには聴覚皮質の活動が一切見られないことは、聴覚皮質における聴覚経験の神経活動痕跡が数十分程度の遅延の後にも強固に保存され、再利用されうることを示している。これに対して海馬領域の活動は実際の聴覚経験とは必ずしも対応せず、むしろ現在の主観的な再認に忠実な活動を示すことがわかった(実・虚再認時ともに活動するが、聞いていないのをわかりつつ「聞いた」と嘘をつくときには活動しない)。これらの結果は、聴覚皮質と海馬領域がそれぞれ異なる役割を担うことにより、過去の聴覚経験を現在の主観や課題文脈に応じて使い分けることを可能にするというモデルを示唆する。
※本実験は東北大学医学系研究科(藤井俊勝助教授・鈴木麻希講師・阿部修士氏)との共同研究により行われた。



計測システム

ガルバノミラーを用いた高速多点アンケージングシステムの開発(Kojima et al. 2006)

図22 T2光子レーザー顕微鏡とUVレーザー

システムは、2光子レーザー顕微鏡による神経細胞イメージングとガルバノスキャナーを利用したUVレーザーによる多点高速でのシナプス及び神経刺激を可能にした。システム以下の基本的仕様をもち、平成18年2月末にこの装置が、玉川大学に設置された。

①ガルバノミラーを用いての速い多点の紫外レーザーによるuncagingが可能。 
②uncagingできるスポット径は、数μm以下、スパインレベルでの刺激が可能。
③刺激する2点間の時間間隔は、数m秒以下(数十μmの距離)。 
④刺激できる点の数は、100点ほどでありソフト上でコントロールできる。
⑤ピエゾで対物レンズを上下することにより、深さ方向にすう百ミクロンの距離の2点間も刺激できる。 
⑥これらの装置のためのソフトはユーザーフレンドリィである。これによって、神経細胞の多点を数ミリ秒の時間間隔でスパインレベルのシナプス刺激が可能になる。現在電気生理計測用の機器と本器を組み合わせて実際のスライス標本からの記録を試みている。

このシステムと電気生理学的手法を組み合わせることにより、海馬培養分散標本と急性小脳スライス標本によって、それぞれの樹状突起を多点高速で刺激することに成功した。記録は細胞体に当てたガラスパイペットによりパッチクランプの電位固定モードで行い、NMI-caged L-glutamateのuncagingによるシナプス電流様の電流変化を記録することが可能になった。同時に、uncagingによる樹状突起微細部でのカルシウム上昇も記録された。

研究グループの組織

コアメンバー

 塚田 稔    (医学・工学博士 教授)
 相原 威    (工学博士 教授)
 小島 比呂志(医学博士 教授)
 佐々木 寛   (工学博士 助教授)

ポスドクスタッフ

 山崎 芳之 (理学博士 COE研究員)
 渡辺 秀典 (工学博士 COE研究員)
 福島 康弘 (理学博士 COE研究員)
 井出 吉紀 (工学博士 COE研究員)
 奥田 次郎 (医学博士 COE研究員)

研究スタッフ

 高橋 宗良  (COE研究員)  
 藤原 浩樹  (COE研究員)


玉川大学内外の共同研究者

 津田一郎          (北海道大学 理学博士 教授) 
 ギイ サンドナー  (仏 ルイパスツール大学MD, Ph.D 教授)
 西山 誠          (ニューヨーク大学 医学博士 助教授)
 ヤン ローレンス  (ニュージーランド ヴィクトリア大学ウェリントン校 Ph.D 教授)

業績リスト

発表論文(英文)

2009

Takahashi M, Lauwereyns J, Sakurai Y, Tsukada M. (in press) Behavioral state-dependent episodic representations in hippocampal CA1 neuronal activity during spatial alternation. Cognitive Neurodynamics. [ Link]


2008

Abe N, Okuda J, Suzuki M, Sasaki H, Matsuda T, Mori E, Tsukada M, Fujii T. (2008) Neural correlates of true memory, false memory, and deception. Cerebral Cortex 18(12): 2811-2819. Link

Fukushima Y, Tsukada M, Tsuda I, Yamaguti Y, Kuroda S. (in press) Coding mechanisms in hippocampal networks for learning and memory. Lecture notes for INNS-NNN08 symposia. Link

Kaneki K, Araki O, Tsukada M. (in press) Dual Synaptic Plasticity in the Hippocampus: Hebbian and Spatiotemporal Learning Dynamics. Cognitive Neurodynamics. Link

Lauwereyns J. (2008). The contribution of dopamine to the implementation of reward value during the control of action. Central Nervous System Agents in Medicinal Chemistry 8(2): 72-84. Link

Pan X, Sawa K, Tsuda I, Tsukada M, Sakagami M. (2008) Reward prediction based on stimulus categorization in primate lateral prefrontal cortex. Nature Neuroscience 11(6): 703-712. Link

2007

Aihara T, Abiru Y, Yamazaki Y, Watanabe H, Fukushima Y, Tsukada M. (2007) The relation between spike-timing dependent plasticity and Ca2+ dynamics in the hippocampal CA1 network. Neuroscience 145: 80-87. Link

Fujiwara K, Fujiwara H, Tsukada M, Aihara, K. (2007) Reproducing Bursting Interspike Interval Statistics of the Gustatory Cortex. BioSystems 90: 442-448. Link

Fukushima Y, Tsukada M, Tsuda I, Yamaguti Y, Kuroda S. (2007) Spatial clustering property and its self-similarity in membrance potentials of hippocampal CA1 pyramidal neurons. Cognitive Neurodynamics 1: 305-316. Link

Lucas C, Lauwereyns J. (2007) Selective working memory disables inhibition of visual features. Experimental Psychology 54: 256-263. Link

Okuda J, Fujii T, Ohtake H, Tsukiura T, Yamadori A, Frith CD, Burgess PW. (2007) Differential involvement of regions of rostral prefrontal cortex (Brodmann area 10) in time- and event-based prospective memory. International Journal of Psychophysiology 64(3): 233-246. Link

Tsukada M, Yamazaki Y, Kojima H. (2007) Interaction between the Spatio-Temporal Learning Rule (STLR) and Hebb type (HEBB) in single pyramidal cells in the hippocampal CA1 Area. Cognitive Neurodynamics 1(2): 157-167. Link

Wisnewski RG, Lauwereyns J. (2007) Systemic dizocilpine (MK-801) facilitates performance in opposition to response bias. Behavioral and Brain Functions 3(48): 1-4. Link

2006

S.Okazaki, S. Kanoh, K. Takaura, M. Tsukada, K. Oka Change detection and difference detection of tone duration discrimination. Neuroreport 17(4),pp. 395-399, 2006 Link

H. Watamabe, T. Aihara, M. Tsukada Phase shift of subthreshold theta oscillation in hippocampal CA1 pyramidal cell membrane by excitatory synaptic inputs. Neuroscience Vol. 140(4),pp1189-1199, 2006 Link

Pan X, Tsukada M: A model of the hippocampal-cortical memory system. Biolgical Cybernetics 95, pp159-167, 2006. Link

Jiro Okuda, Toshikatsu Fujii, Hiroya Ohtake, Takashi Tsukiura, Atsushi Yamadori, Christopher D. Frith, Paul W. Burgess. Differential involvement of regions of rostral prefrontal cortex (Brodmann area 10) in time- and event-based prospective memory. International Journal of Psychophysiology (in press) Link

Paul W. Burgess, Iroise Dumontheil, Sam J. Gilbert, Jiro Okuda, Marieke Sholvinck.Burgess, Simons, J. S. On the role of rostral prefrontal cortex (area 10) in prospective memory. In: Prospective memory: Cognitive, neuroscience, developmental, and applied perspectives. Kliegel, M., McDaniel, M.A. & Einstein, G.O. (eds.) (Mahwah, Erlbaum, in press) [ Link]

Kojima, H., Simburger, E., Nakai. J., Boucsein, C., Maruo, T., Tsukada, M., Okabe, S., Aertsen, Ad. Development of a system for patterned rapid photolysis and 2-photon confocal microscopy. (in press) Nobember issue. IEEE Circuit and Device (Leos). [ Link]

Tsukada M, Yamazaki Y: Interaction between the Spatio-Temporal Learning Rule (STLR) and Hebb type (HEBB) in single pyramidal cells in the hippocampal CA1 Area. Cognitive Neurodynamics (in press) Link

Aihara T, Yamazaki Y., Watanabe H., Fukushima Y, Tsukada M. The relation between spike-timing dependent plasticity and Ca2+ mobility in the hippocampal CA1 network. Neuroscience (in press) Link

Fujiwara K, Fujiwara H, Tsukada M, Aihara, K: Reproducing Bursting Interspike Interval Statistics of the Gustatory Cortex. BioSystems 2006 ( accepted). Link

Tsukada M, Yamazaki Y: Functional Differences between the Spatio-Temporal Learning Rule (STLR) and Hebb type (HEBB) in single pyramidal cells in the hippocampal CA1 Area. Lecture note in Computer Science, Springer, Vol. 4232/2006, p.72-81, 2006 Link

Tsukada M, Aihara T, Saito H, Kato H: A spatio-temporal learning rule based on the physiological data of LTP induction in the hippocampal CA1 network. Lecture Notes in Computer Science, Springer, Vol. 1112/1996, p.709-714, 2006 Link


2006 (Submitted)

Kojima, H., Ileva, LV., Traynelis SF., and Tsukada, M. (2004) Nonstationary Noise Analysis and its Application to Synaptic Plasticity. Biological Cybernetics (Submitted). [ Link]

Fukushima Y, Tsukada M, Tsuda I, Yamaguchi Y, Kuroda S: Cantor-like coding in hippocampal CA1 pyramidal neurons. Journal of Neuroscience, 2006.(submitted) [ Link]


2006 (In preparation)

Kojima, H., Ileva, V.L., and Santamaria, F. (2006). Mechanisms of glutamate receptor channels underlie long-term depression of cerebellar Purkinje cell of rat. Journal of Neuroscience (to be submitted) [ Link]

Kojima, H. and Marshall, L.M. (2006) Change in properties of Nicotonic ACh Receptor Channels in B-cells of Bullfrog Sympathetic Ganglion during Development. NeuroReport (to be submitted). [ Link]

Kojima, H., Katsumata, S., Sakai, K. (2006) Theoretical investigation of pyramidal cell information processing by computer simulation. The Journal of Neuroscience( to be submitted) [ Link]

Fukushima Y, Yamazaki Y, Aihara T, Kojima H, Tsukada M: The requirement of backpropagating action potentials to the induction of associative LTP in hippocampal CA1 pyramidal neurons. [ Link]

Ide Y, Miyazaki T, Lauwereyns J, Sandner G, Tsukada M: Phantom signals from fear conditioning in the guinea pig auditory cortex. Current Biology, 2006. [ Link]


2005

Aihara T, Kobayashi Y, Tsukada M Spatiotemporal visualization of long-term potentiation and depression in the hippocampal CA1 area.Hippocampus 15: 68-78, 2005 Link

Tsukada M, Aihara T, Kobayashi Y, Shimazaki H Spatial analisis of spike-timing-dependent LTP and LTD in the CA1 area of hippocampal slices using optional imaging.Hippocampus 15:104-109, 2005 [ Link]

Tsukada M, Pan X: The Spatiotemporal Learning Rule and Its Efficiency in separating spatiotemporal patterns. Biolgical Cybernetics 92, pp139-146, 2005 Link

Taufiq AM, Fujii S, Yamazaki Y, Sasaki H, Kaneko K, Li J, Kato H, Mikoshiba K, Involvement of IP3 receptors in LTP and LTD induction in guinea pig hippocampal CA1 neurons, Learn Mem 12(6), 594-600, 2005. Link


2004

Urakubo H, Aihara T, Kuroda S, Watanabe M, Kondo S. Spatial localization of synapses required for supralinear summation of action potentials and EPSPs. J. Computational Neuroscience 16(3) 251-65 Link

Toshikatsu Fujii, Maki Suzuki, Jiro Okuda, Hiroya Ohtake, Kazuyo Tanji, Keiichiro Yamaguchi, Masatoshi Itoh, Atsushi Yamadori. Neural correlates of context memory with real-world events, NeuroImage 2004, 21, 1596-1603. Link

Fujii S, Sasaki H, Mikoshiba K, Kuroda Y, Yamazaki Y, Mostafa Taufiq A, Kato H, A chemical LTP induced by co-activation of metabotropic and N-methyl-D-aspartate glutamate receptors in hippocampal CA1 neurons, Brain Res 999(1): 20-28,2004. Link

Kojima, H., Humeua, Y., Poulain, B. and Tsukada, M., Application of modified non-stationary analysis for the inhibitory synapstic transmission in Aplysia. Tamagawa University Research Review. Vol.10, p1-18, 2004 [ Link]


2003

Jiro Okuda, Toshikatsu Fujii, Hiroya Ohtake, Takashi Tsukiura, Kazuyo Tanji, Kyoko Suzuki, Ryuta Kawashima, Hiroshi Fukuda, Masatoshi Itoh, Atsushi Yamadori. Thinking of the future and past: the roles of the frontal pole and the medial temporal lobes, NeuroImage 2003, 19, 1369-1380. Link

Kazuyo Tanji, Kyoko Suzuki, Jiro Okuda, Shimizu, H., Seki, H., Kimura, I., Keiko Endo, Kazumi Hirayama, Toshikatsu Fujii, Atsushi Yamadori. Formant interaction as a cue to vowel perception: a case report, Neurocase 2003, 9, 350-355. Link

Hyun-Suk Lee, Toshikatsu Fujii, Jiro Okuda, Takashi Tsukiura, Atsushi Umetsu, Maki Suzuki, Tatsuo Nagasaka, Shoki Takahashi, Atsushi Yamadori. Changes in brain activation patterns associated with learning of Korean words by Japanese: An fMRI study, NeuroImage 2003, 20, 1-11. Link


2002

Takahashi S, Sakurai Y, Tsukada M, Anzai Y, Classification of neuronal activities form tetrode recordings using independent component analysis. Neurocomputing 49, 289-298, 2002 Link

Humeau, Y., Popoff, M., Kojima, H., Doussau, F., Poulain, B. Rac GTPase Plays an Essential Role in Exocytosis by Controlling the Fusion Competence of Release Sites. The Journal of Neuroscience vol. 22(18) p7968-7981, 2002 Link

Maki Suzuki, Toshikatsu Fujii, Takashi Tsukiura, Jiro Okuda, Atsushi Umetsu, Tatsuo Nagasaka, Shunji Mugikura, Isao Yanagawa, Shoki Takahashi, Atsushi Yamadori. Neural basis of temporal context memory: a functional MRI study, NeuroImage 2002, 17, 1790-1796. Link

Takashi Tsukiura, Toshikatsu Fujii, Jiro Okuda, Hiroya Ohtake, Ryuta Kawashima, Masatoshi Itoh, Hiroshi Fukuda, Atsushi Yamadori. Time-dependent contribution of the hippocampal complex when remembering the past: a PET study, NeuroReport 2002, 13, 2319-2323. Link

Toshikatsu Fujii, Jiro Okuda, Takashi Tsukiura, Hiroya Ohtake, Maki Suzuki, Ryuta Kawashima, Masatoshi Itoh, Hiroshi Fukuda, Atsushi Yamadori. Encoding-related brain activity during deep processing of verbal materials: a PET study, Neuroscience Research 2002, 44, 429-438. Link

Takashi Tsukiura, Toshikatsu Fujii, Toshimitsu Takahashi, Xiao, R., Motoaki Sugiura, Jiro Okuda, Toshio Iijima, Atsushi Yamadori. Medial temporal lobe activation during context-dependent relational processes in episodic retrieval: an fMRI study. Human Brain Mapping 2002, 17, 203-213. Link

Atsushi Umetsu, Jiro Okuda, Toshikatsu Fujii, Takashi Tsukiura, Tatsuo Nagasaka, Isao Yanagawa, Motoaki Sugiura, Kentaro Inoue, Ryuta Kawashima, Kyoko Suzuki, Michio Tabuchi, Murata, T., Shunji Mugikura, Higano, S., Shoki Takahashi, Hiroshi Fukuda, Atsushi Yamadori. Brain activation during the fist-edge-palm test: a functional MRI study, NeuroImage 2002, 17, 385-392. Link

Toshikatsu Fujii, Jiro Okuda, Takashi Tsukiura, Hiroya Ohtake, Rina Miura, Reiko Fukatsu, Kyoko Suzuki, Ryuta Kawashima, Masatoshi Itoh, Hiroshi Fukuda, Atsushi Yamadori. The role of the basal forebrain in episodic memory retrieval: a positron emission tomography study, NeuroImage 2002, 15, 501-508. Link

Takashi Tsukiura, Toshikatsu Fujii, Reiko Fukatsu, Taisuke Otsuki, Jiro Okuda, Atsushi Umetsu, Kyoko Suzuki, Michio Tabuchi, Isao Yanagawa, Tatsuo Nagasaka, Ryuta Kawashima, Hiroshi Fukuda, Shoki Takahashi, Atsushi Yamadori. Neural basis of the retrieval of people's names: evidence from brain-damaged patients and fMRI, Journal of Cognitive Neuroscience 2002, 14, 922-937. Link

Fujii S, Sasaki H, Ito K-I, Kaneko K, Kato H, Temperature dependence of synaptic responses in guinea pig hippocampal CA1 neurons in vitro, Cell Mol Neurobiol 22: 379-391, 2002. Link

Fujii S, Igarashi K, Sasaki H, Furuse H, Ito K-I, Kaneko K, Kato H, Inokuchi J, Waki H, Ando S, Effects of the mono- and tetrasialogangliosides GM1 and GQ1b on ATP-induced long-term potentiation in hippocampal CA1 neurons, Glycobiology 12: 339-344, 2002. Link

He B, Zhang X, Lian J, Sasaki H, Wu D, Towle VL, Boundary element method-based cortical potential imaging of somatosensory evoked potentials using subjects' magnetic resonance images, Neuroimage 16: 564-576, 2002. Link

Jiro Okuda, Toshikatsu Fujii, Hiroya Ohtake, Takashi Tsukiura, Atsushi Umetsu, Maki Suzuki, Atsushi Yamadori. Brain mechanisms underlying human prospective memory. In: Frontiers of Human Memory. Atsushi Yamadori, Ryuta Kawashima, Toshikatsu Fujii, Kyoko Suzuki (eds.), pp. 79-95 (Tohoku University Press, Sendai, Japan, 2002). [ Link]

Toshikatsu Fujii, Jiro Okuda, Takashi Tsukiura, Hiroya Ohtake, Maki Suzuki, Atsushi Yamadori. Episodic memory encoding and the medial temporal lobe. In: Frontiers of Human Memory. Atsushi Yamadori, Ryuta Kawashima, Toshikatsu Fujii, Kyoko Suzuki (eds.), pp. 253-262 (Tohoku University Press, Sendai, Japan, 2002). [ Link]

Kyoko Suzuki, Yuji Otuska, Akira Sugawara, Jiro Okuda, Nobukazu Nakasato, Atsushi Yamadori. Effects of memory on the judgement of incongruity: A magnetoencephalographic study. In: Frontiers of Human Memory. Atsushi Yamadori, Ryuta Kawashima, Toshikatsu Fujii, Kyoko Suzuki (eds.), pp. 97-104 (Tohoku University Press, Sendai, Japan, 2002). [ Link]

発表論文 (日本語)

2006

浦久保秀俊、 黒田真也、相原威 スパイクタイミング依存シナプス可塑性の計算論的解析:シミュレーション学会誌 vol.25(1) 4-12, 2006 Link

御子柴克彦他訳(分担翻訳)小島比呂志 ニューロンの生理学. フランス原書「Physiologie du Neurone」715ページ 著者Feltz, A et al. 2007年春刊行予定 Link

高平小百合・奥田次郎(監訳)脳と心と教育-脳科学研究と教育との関わり(Byrnes, J. P. Minds, Brains, and Learning: Understanding the Psychological and Educational Relevance of Neuroscientific Research)玉川大学出版会(2006) Link


2005

宮崎崇史、大神田瑞樹、山本純、佐々木寛、塚田稔、安西祐一郎 大脳皮質聴覚野における海馬刺激強度依存的な応答変化の光計測 日本神経回路学会誌、Vol.12,No.1,11-16, 2005 Link

宮崎崇史、鈴木理恵、Guy Sandner、塚田稔、安西祐一郎 古典的条件付けにより大脳皮質聴覚野に生じる可塑的変化の光計測 日本神経回路学会誌 Vol.12, No.1, 32-38, 2005 Link

相原威、西山誠、浦久保秀 スパイクタイミング依存性可塑性に関するNEUROシミュレータの応用 日本神経回路学会誌 Vol.12(1) 294 – 299, 2005 [ Link]

奥田次郎: 意図とその遅延後の実現―Prospective Memoryの脳内過程―.人工知能学会誌 2005,20(4),418-424. Link

塚田稔、宮崎崇史: 海馬―皮質系の記憶情報表現. 医学のあゆみ212, p.983-989, 2005. Link


2004

Kojima, H., Humeua, Y., Poulain, B. and Tsukada, M., Application of modified non-stationary analysis for the inhibitory synapstic transmission in Aplysia. Tamagawa University Research Review. Vol.10, p1-18, 2004 [ Link]

塚田稔: 光計測装置と記憶・学習・シナプスの可塑性 電子情報通信学会誌 87.4, p.272-278, 2004. Link

国際学会

2008

Fukushima Y, Kiryu S, Tsukada M, Aihara T. (2008) The effect of the proximal dendritic input on the information processing at the distal dendrite by means of back-propagating action potential in the hippocampal CA1 neuron. Annual Meeting of the American Society for Neuroscience, Washington, DC, U.S.A.

Fukushima Y, Tsukada M, Tsuda I, Yamaguti Y, Kuroda S. (2008) Possibility of Cantor coding by spatial input patterns. 15th International Conference on Neural Information Processing of the Asia-Pacific Neural Network Assembly (ICONIP-2008) November 25-28, Auckland, New Zealand

Ide Y, Lauwereyns J, Tsukada M. Optical imaging of plastic changes induced by fear conditioning in the auditory cortex of guinea pig. 15th International Conference on Neural Information Processing of the Asia-Pacific Neural Network Assembly (ICONIP-2008) November 25-28, 2008, Auckland, New Zealand

Kojima H. (2008) Gulutamate receptor channel kinetics models and synaptic plasticity: future application of 2-thoton laser photolysis. 1st International Symposium, INNS-NNN 2008, Auckland, New Zealand.

Miyamoto A, Toujoh S, Sakai K, Katsumata S, Kojima H. (2008) An analysis of synaptic transmission and its plasticity by glutamate receptor channel kinetics models and 2-photon laser photolysis. 1st International Symposium, INNS-NNN 2008, Auckland, New Zealand.

Tsukada M. (2008) Coding mechanisms in hippocampal networks for learning and memory. 1st International Symposium, INNS-NNN 2008, Auckland, New Zealand.

Tsukada M, Fukushima Y, Tsuda I, Yamaguti Y, Kuroda S. (2008) Cantor coding mechanisms in hippocampal networks for learning and memory. 1st International Symposium, INNS-NNN 2008, Auckland, New Zealand.

Weaver M, Lauwereyns J. (2008, November) Semantic influences on overt and covert attention. Annual Meeting of the American Society for Neuroscience, Washington, DC, U.S.A.

Weaver M, Lauwereyns J. (2008, August) Semantic influences on overt and covert attention. 26th International Australasian Winter Conference on Brain Research, Queenstown, New Zealand.


2007

Derom D, Lauwereyns J. (2007, November) Integrating past, present and future data sets: Using ANEVA for data synthesis. Annual Meeting of the American Society for Neuroscience, San Diego, CA, U.S.A.

Fukushima Y, Tsukada M, Tsuda I, Yamaguti Y, Kuroda S. (2007) Physiological evidence for Cantor coding output in hippocampal CA1 neurons. The 1st International conference on cognitive neurodynamics, Shanghai, China

Fukushima Y, Tsukada M, Tsuda I, Yamaguti Y, Kuroda S. (2007) The potentials of Cantor coding in hippocampal CA1 pyramidal neurons. 39th Annual General Meeting European Brain and Behaviour Society, Trieste, Italy

Ide Y, Lauwereyns J, Sandner G, Tsukada M. (2007, November) Optical imaging of plastic changes induced by fear conditioning in the auditory cortex of guinea pig. The 1st International Conference on Cognitive Neurodynamics, Shanghai, P.R. China.

Kuroda S, Yamaguti Y, Fukushima Y, Tsukada M, Tsuda I. (2007) Iterated function systems in hippocampal CA1 neurons. The 1st International conference on cognitive neurodynamics, Shanghai, China

Takahashi M, Lauwereyns, J, Sakurai Y, Tsukada M. (2007, November). Hippocampal code for alternation sequence during fixation. 7th International Neural Coding Workshop (Neural Coding 2007), Montevideo, Uruguay.

Takahashi M, Lauwereyns J, Sakurai Y, Tsukada M. (2007, November). Sequential coding of spatial response bias in hippocampal CA1 neurons. Annual Meeting of the American Society for Neuroscience, San Diego, CA, U.S.A.

Tsukada M, Fukushima Y, Kojima H, Tsuda I, Yamaguti Y, Kuroda S. (2007) A spatiotemporal coding in the hippocampal CA3-CA1 networks. 7th International Neural Coding Workshop (Neural Coding 2007), Montevideo, Uruguay.

Weaver M, Yim J, Carpenter RHS, Lauwereyns J. (2007, November) The expression of response bias in manual single versus double choice tasks: An ERP study. Annual Meeting of the American Society for Neuroscience, San Diego, CA, U.S.A.

Weaver M, Yim J, Carpenter RHS, Lauwereyns J. (2007, November) The expression of response bias in manual single versus double choice tasks: An ERP study. 69th Meeting of the Wellington Health and Biomedical Research Society, Wellington, New Zealand.

Yamaguti Y, Kuroda S, Tsuda I, Tsukada M, Fukushima Y. (2007) Cantor coding of temporal sequences in hippocampal CA1 model. 39th Annual General Meeting European Brain and Behaviour Society, Trieste, Italy


2006

Kojima, H., Nakazato, Y., Toujou, M., Yoneyama, M., Tsukada, M. Multi-point synaptic activation by UV-laser uncaging system. Society for Neuroscience in the USA. 479, 2006

Kojima, H., Yoneyama, M., Kamijou, M., Yamazaki, Y., Tsukada, M. (2006) Imaging analysis of associative LTP in rat hippocampus CA1 region. O66, 1O-04F7. The Journal of Physiological Sciences S84, vol. 56 Suppl. April. 

Kojima, H. (2006) A system for rapid uncaging in defined patterns and its application. Neuroscience Research S67 OS3P-2-04.

Uchikune Y, Shiun D, Urakubo H, Kitajima T, Tsukada M, Aihara T. The relation of information processing at the proximal and distal dendrite in the hippobcanpal CA1 network. Society for Neuroscience 2006. 63, 2006

Kiatajima S, Sawai Y, Nishiyama M, Hong K, Aihara T. Modeling approach for the bi-directional turning of axon growth cone. Society for Neuroscience 2006, 2006

Masahiro Kawasaki, Masataka Watanabe, Jiro Okuda, Masamichi Sakagami, Kazuyuki Aihara. 36th Annual Meeting of the Society for Neuroscience, Atlanta, Georgia, October 14-18, 2006.

Yosuke Morishima, Rei Akaishi, Jiro Okuda, Tetsuya Matsuda, Hiroshi Sasaki, Keiichiro Toma, Katsuyuki Sakai. Temporal dynamics of effective connectivity in attentional network. 36th Annual Meeting of the Society for Neuroscience, Atlanta, Georgia, October 14-18, 2006.

Paul W. Burgess, Jiro Okuda, Marieke Sholvinck, Jon S. Simons, Sam J. Gilbert, Iroise Dumontheil, Angela Costello, Sally Zlotowitz, Shelley Channon, Catrin Forbes. The role of rostral prefrontal cortex (Area 10) in prospective memory. 4th International Conference on Memory (Symposium), Sydney, Australia, July 16-21, 2006.

Nobuhito Abe, Jiro Okuda, Maki Suzuki, Hiroshi Sasaki, Tetsuya Matsuda, Etsuro Mori, Minoru Tsukada, Toshikatsu Fujii. Brain activities associated with false memory and deception: an fMRI investigation. 4th International Conference on Memory, Sydney, Australia, July 16-21, 2006.

Sayuri Takahira, Torsten Wustenberg, Tetsuya Matsuda, Kirsten Jordan, Hans Strasburger, Jiro Okuda. Contribution of eye movements to neural network activation in mental rotation. 12th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping, Florence, Italy, June 11-15, 2006.

Masahiro Kawasaki, Masataka Watanabe, Jiro Okuda, Masamichi Sakagami. SFS for feature selective maintenance, IPS for simple maintenance in visual working memory. 5th Annual Meeting of the Vision Sciences Society, Sarasota, Florida, May 5-10, 2006.

Masahiro Kawasaki, Masataka Watanabe, Jiro Okuda, Masamichi Sakagami. Feature integration in visual working memory: An fMRI study. CNS (Cognitive Neuroscience Society) 2006 Annual Meeting, San Francisco, CA, April 8-11, 2006.


2005

H.Wtanabe, T.Aihara, M.Tsukada Phase shift of theta oscillation in hippocampal CA1 pyramidal call membrane Proc. of 35nd Annual Meeting, Society for Neuroscience 971.14 (2005)

T.Aihara, M.Uchida, Y.Uchikune, D.Shiun, Y.Fukushima, M.Tsukada The characteristics of information processing in the proximal and the distal dendrite in the hippocampal CA1 network Proc. of 35nd Annual Meeting, Society for Neuroscience 384.14 (2005)

Y.Sawai, T.Kitajima, T. Aihara, M Nishiyma, K. Hong Cytosolic calcium oscillation in a model cell by reciplocal interactions between ER Ca release/uptake and plasmalemmal Ca entry/extrusion, Proc. of 35nd Annual Meeting, Society for Neuroscience 688.14 , 2005

Kojima, H., Humeau, Y., Tsukada, M. and Poulain, B. (2005) A graphical analysis of synaptic transmission in Aplysia. Japanese Journal of Physiology Suppl. S152,

Fukushima, Y., Yamazaki. Y., Aihara, T., Kojima, H. and Tsukada, M. (2005) The requirement of back-propagating action potentials to the induction of associative LTP in hippocampal CA1 pyramidal neurons. Neuroscience Research Suppl.

Jiro Okuda. Cognitive neuroscience of prospective memory. 2nd International Conference on Prospective Memory (Discussant of Neuroscience Session), Zurich, Switzerland, July 25-27, 2005.

Jiro Okuda, Jon S. Simons, Sam J. Gilbert, Christopher D. Frith, Paul W. Burgess. Target probability effects in prospective memory: a trade-off between ongoing- and target-related activities as revealed by functional magnetic resonance imaging. 2nd International Conference on Prospective Memory, Zurich, Switzerland, July 25-27, 2005.

Jiro Okuda, Hiroshi Sasaki, Ryosuke Soga, Tetsuya Matsuda, Manabu Tsumoto, Katsuyuki Sakai, Minoru Tsukada. Covert sensation of time in the left hippocampal region. 11th Annual Meeting of The Organization for Human Brain Mapping, Toronto, Canada, June 13-16, 2005.

Tetsuya Matsuda, Katsuyuki Sakai, Jiro Okuda, Hiroshi Sasaki, Masato Matsuura, Minoru Tsukada1. Integration of auditory and visual information with attention shift. 11th Annual Meeting of The Organization for Human Brain Mapping, Toronto, Canada, June 13-16, 2005.

Paul W. Burgess, Jiro Okuda, Marieke Sholvinck, Jon S. Simons, Sam J. Gilbert, Iroise Dumontheil, Angela Costello, Sally Zlotowitz, Shelley Channon, Catrin Forbes. The role of rostral prefrontal cortex (Area 10) in prospective memory. 2nd International Conference on Prospective Memory, Zurich, Switzerland, July 25-27, 2005.

Paul W. Burgess, Iroise Dumontheil, Catrin Forbes, Sam J. Gilbert, Jiro Okuda, Marieke Sholvinck. The role of rostral prefrontal cortex in prospective memory. Annual Meeting for International Neuropsychological Society (Symposium: The functional and neural basis of prospective memory), Dublin, Ireland, July 6-9, 2005.

Tetsuya Matsuda, Katsuyuki Sakai, Jiro Okuda, Hiroshi Sasaki, Minoru Tsukada. Cue-related activity during visual and auditory target detection task. 35th Annual Meeting of the Society for Neuroscience, Washington D.C., November 12-16, 2005.

Keiichiro Toma, Hiroshi Sasaki, Manabu Tsumoto, Jiro Okuda, Tetsuya Matsuda, Katsuyuki Sakai. Neural substrates for detecting the distinctiveness of targets presented at variable local sequence probability. 35th Annual Meeting of the Society for Neuroscience, Washington D.C., November 12-16, 2005.

Manabu Tsumoto, Hiroshi Sasaki, Jiro Okuda, Tetsuya Matsuda, Katsuyuki Sakai. Modulation of fusiform activity during explicit and implicit categorization of ambiguous face images. 35th Annual Meeting of the Society for Neuroscience, Washington D.C., November 12-16, 2005.


2004

AiharaT, Kashiwagi Y, Tsukada M The Ca2+ mobility during the induction of spike-timing-dependent plasticity in the hippocampal CA1 network. NOLTA2004, 215-218, 2004

AiharaT, Kashiwagi Y, Watanabe H, Fukushima Y, Tsukada M The relation between STDP and Ca2+ influx in the hippocampal CA1 network analyzed using optical imaging. Society for Neuroscience, 57(3) 16, 2004

S. Okazaki, S. Kanoh, K. Shisbuya, K. Takaura, K. Takeda, M. Tsukada, K. Oka Duration Mismatch Negativity in Hippocampus of Anesthetized Guinea Pigs. Society for Neuroscience 2004/10/23-27

Kojima, H., Munro, P., Dupont, J-L., Bossu, J-L, Poulain, B. and Tsukada, M. Important role of rafts and GPI-anchored proteins in neuron sensitivity to TeNT. (2004) 144.9. Oral session of Presynaptic Mechanisms. Society for Neuroscience USA, 2004.

Kojima, H., Satoh, M., Magamune, Y and Tsukada, M. (2004) Enhancement of optical signals recorded from CA1 of CaMKII-transgenic mouse during long-term potentiation. Neuroscience Research Suppl. 1, vol. 50, OG3-10

Kojima, H., Munro, P., Dupont, J-L., Bossu, J-L, Poulain, B. and Tsukada, M. Important role of rafts and GPI-anchored proteins in neuron sensitivity to TeNT. (2004) 144.9. Oral session of Presynaptic Mechanisms. Society for Neuroscience USA, 2004.

Tsukada, M., Yamazaki, Y. and Kojima, H., (2004) Experimental investigation of dynamical model of learning and memory. Proceedings of the Sentan-nou. P159

Jiro Okuda, Christopher D. Frith, Paul W. Burgess. Organisation of time- and event-based intentions in the rostral prefrontal cortex. 10th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping, Budapest, Hungary, June, 2004.


2003

M.Tsukada, T.Aihara, and Y.Kobayashi Spike timing LTP and LTD in the CA1 area of hippocampal slices by the optical imaging. Annual Computational Neuroscience meeting 2003 (2003) 7/5

T. Aihara, Y. Abiru, Y. Kashiwagi,Y. Yamazaki and M.Tsukada Ca2+ influx during the induction of the spike-timing dependent plasticity in the Hippocampal CA1 network. Neuroscience Research vol.46 s-1 p.175 (2003) 7/25

T.Kodama, M.Takahashi, T. Aihara, M. Tsukada and Y. Anzai A study on improving the accuracy of spike sorting of multiple-unit recorded data. Neuroscience Research vol.46 s-1 p.165 (2003) 7/25

M.Takahashi, T.Kodama, T.Aihara, M.Tsukada, Y. Anzai Context dependent of rat hippocampal CA1 neurons during simple alternation and simple repeating tasks. The 26th Annual meeting of the Japan Neuroscience Society Neuroscience Research vol.46 s-1 p.166 (2003) 7/25

T. Miyazaki, K. Takeda, S. Okazaki, R. Suzuki, Y. Usui, H. Sasaki, M. Mizuno, M. Tsukada, Y. Anzai Optical imaging of the response to two-tone sequences in the guinea pig auditory cortex. International Brain Research Organization 2003/7/10-15

S. Okazaki, K. Takeda, T. Miyazaki, T. Matsuda, Y. Kitamura, M. Tsukada, K. Oka Late Response Properties in Primary Auditory Cortex Cells of the Anesthetized Guinea Pig. Auditory Cortex Meeting 2003/9/13-17

S. Okazaki, K. Takeda, T. Miyazaki, T. Matsuda, Y. Kitamura, M. Tsukada, K. Oka Neuronal Mechanisms of Late Response in Primary Auditory Cortex of the Anesthetized Guinea Pig. Society for Neuroscience 2003/11/8-13

Shunji Mugikura, Toshikatsu Fujii, Maki Suzuki, Jiro Okuda, Hyung-suk Lee, Tatsuo Nagasaka, Yoshiyuki Hosokai, Shoki Takahashi. Retrieving contextual information about person and time in episodic memory. 9th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping, New York, NY, June 18-22, 2003.

Jiro Okuda. Imaging our future: From studies into prospective memory and future thinking. COE Lecture, Tamagawa University, Tokyo, Japan, June, 2003.

Jiro Okuda. Prospective memory and thoughts about the future. ICN Seminar, Institute of Cognitive Neuroscience, University College London, London, UK, June, 2003.


2002

Takashi S, Sakurai Y, Tsukada M, Anzai Y, Classification of neuronal activities form tetrode recordings using independent component analysis. Neurocomputing 49, 289-298, 2002

T. Miyazaki, K. Takeda, S. Okazaki, R. Suzuki, Y. Usui, H. Sasaki, M. Mizuno, M. Tsukada, Y. Anzai Inhibition and facilitation of the response to two tone sequences in the guinea pig auditory cortex using optical imaging method. Proc. of 32nd Annual Meeting, Society for Neuroscience, 354.16 (2002)

S. Okazaki, K. Takeda, T. Miyazaki, H. Sasaki, M. Tsukada Cross Correlation of Neuronal Activity in the Auditory Cortex of Guinea Pig -Reconsideration of Cross-Correlogram Method Application- The Society of Instrument and Control Engineers Annual Conference 2002/8/6

K. Takeda, S. Okazaki, J. Ushiba, T. Miyazaki, H. Sasaki, M. Tsukada, Y. Tomita The Change of Neuronal Response in Guinea-pig Auditory Cortex by Hippocampal Modulation -Application of Bootstrap Method- The Society of Instrument and Control Engineers Annual Conference 2002/8/6

M.Takahashi, M.Kawai, T.Aihara, M.Tsukada, Y.Anzai Dynamics of neuronal ensembles in rat hippocampus during serial-pattern tasks. Proc. of 32nd Annual Meeting, Society for Neuroscience (2002)

Y.Abiru, T. Aihara, H.Asai, H. Matsuda, M. Tsukada Spatial analysis of CA2+ infulux depending on the spike timing in the hippocanpal CA1 neurons. Proc. of 32nd Annual Meeting, Society for Neuroscience 152.9 p.70 (2002)

M. Takahashi, M Kawai, T. Aihara, M. Tsukada, Y. Anzai Dynamis of neuronal ensembles in rat hippocampus during serial-pattern tasks. Proc. of 32nd Annual Meeting, Society for Neuroscience 477.9 P.31 (2002)

T. Aihara, M. Tsukada, Y. kobayashi, H. Shimazaki Spike-timing dependent LTP and LTD in the CA1 area of Hippocampal slices using optical imaging methods.DBF-2001 proceedings p.15(2002)

Y.Abiru, T. Aihara, H.Asai, H. Matsuda, M. Tsukada Spatial analysis of CA2+ infulux depending on the spike timing in the hippocanpal CA1 neurons. Proc. of 32nd Annual Meeting, Society for Neuroscience 152.9 p.70 (2002) 11月

K.Togashi, T. Kitajima, T. Aihara, K. Hong, M. Poo, M. Nishiyama Gating of activity-dependent long-term depression by GABAergic activity in the hippocampus. Proc. of 33nd Annual Meeting, Society for Neuroscience 123.4 ,2003

M. Takahashi, M Kawai, T. Aihara, M. Tsukada, Y. Anzai Dynamis of neuronal ensembles in rat hippocampus during serial-pattern tasks. Proc. of 32nd Annual Meeting, Society for Neuroscience 477.9 P.31 (2002) 11月

T. Aihara, M. Tsukada, Y. kobayashi, H. Shimazaki Spike-timing dependent LTP and LTD in the CA1 area of Hippocampal slices using optical imaging methods. DBF-2001 proceedings p.15, 2002

Jiro Okuda, Toshikatsu Fujii, Hiroya Ohtake, Takashi Tsukiura, Kazuyo Tanji, Kyoko Suzuki, Ryuta Kawashima, Hiroshi Fukuda, Masatoshi Itoh, Atsushi Yamadori. Thinking of the future and past: the roles of the frontal pole and the medial temporal lobes. 8th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping, Sendai, Japan, June 3-6, 2002.

Toshikatsu Fujii, Jiro Okuda, Maki Suzuki, Kazuyo Tanji, Hiroya Ohtake, Keiichiro Yamaguchi, Masatoshi Itoh, Ryuta Kawashima, Hiroshi Fukuda, Atsushi Yamadori. Neural networks for retrieving contextual information of real-world events: A PET study. 8th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping, Sendai, Japan, June 3-6, 2002.

Yuji Otsuka, Kyoko Suzuki, Nobukazu Nakasato, Jiro Okuda, Akitake Kanno, Keisaku Hatanaka, Atsushi Yamadori. Event-related magnetic responses elicited by phonological incongruency. 8th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping, Sendai, Japan, June 3-6, 2002.

国内学会・研究会

2008

Fujiwara H, Tsukada M. (2008) The examination of effect on renewal in the conditioned taste aversion by the dorsal hippocampal lesion. 31st annual meeting of the Japan neuroscience society (neuro 2008), Tokyo.

Fukushima Y, Tsukada M, Tsuda I, Yamaguti Y, Kuroda S. (2008) Cantor coding under suprathreshold conditions in hippocampal CA1 neurons. 31st annual meeting of the Japan neuroscience society (neuro 2008), Tokyo.

Ide Y, Lauwereyns J, Sandner G, Tsukada M. (2008) Optical imaging of plastic changes induced by fear conditioning in the auditory cortex of guinea pig. 31st annual meeting of the Japan neuroscience society (neuro 2008), Tokyo.

Ikeda R, Kondou M, Fukushima Y, Tsukada M, Aihara T. (2008) The role of information processing along a dendrite of hippocampal CA1 neurons on the binding problem. 31st annual meeting of the Japan neuroscience society (neuro 2008), Tokyo.

Kojima H, Katsumata S, Maruo T, Toujo S, Nakazato Y, Takano A, Sakai K. (2008) An analysis of synaptic transmission by AMPAR channel kinetics model. 31st annual meeting of the Japan neuroscience society (neuro 2008), Tokyo.

Morishima Y, Akaishi R, Yamada Y, Okuda J, Toma K, Sakai K. (2008) Serial selection mechanism in to-down signal transmission during visual selective attention. 31st annual meeting of the Japan neuroscience society (neuro 2008), Tokyo.

Takahashi M, Lauwereyns J, Sakurai Y, Tsukada M. (2008) Sequence-dependent hippocampal activity during fixation period. 31st annual meeting of the Japan neuroscience society (neuro 2008), Tokyo.

井出吉紀 塚田稔(2008)恐怖条件付けによりモルモット聴覚野に生じる可塑的変化の光計測、聴覚研究会、豊橋


2007

Yoneyama M, Fukushima Y, Yamazaki Y, Tsukada M. (2007) Optical imaging of dendritic propagating potential in heterosynaptic associative LTP of rat hippocampal CA1 pyramidal neurons. 30th annual meeting of the Japan neuroscience society (neuro 2007), Yokohama.


2006

内久根 優輝、渡辺 秀典、福島 康弘、近藤 将史、相原 威、塚田 稔 (2005) デンドライトにおける情報処理機能の解析、電子情報通信学会技術研究報告、vol.105(657);21-25, 2006

紫雲大輔、浦久保秀俊、相原威、塚田稔 (2005) NEURONシミュレータによるデンドライトの情報処理機構の考察 電子情報通信学会技術研究報告, vol.105(657);27-32, 2006

小島比呂志、米山誠、山崎吉之、上條中庸、塚田稔 海馬CA1での連合性LTPのイメージング解析 第83回日本生理学会 2006

Kojima, H. A system for rapid uncaging in defined patterns and its application. Neuroscience Research日本神経科学学会口頭発表 2006

Kojima, H. Development of fast multi-point stimulation system and its application to neural network analysis. Conference of new methods and technologies in neuroscience. Tohoku University in Sendai. Symposium speaker. 統合脳・脳機能解析新技術研究会・東北大学シンポジウム発表, 2006

Kojima, H. Innovation in multi point stimulation, spectral analysis and fast imaging by Carl Zeiss. The 83th Annual Meeting of the Physiological Society of Japan. Luncheon Seminar speaker.日本生理学会ランチョンセミナー・シンポジウム発表2006

Kojima, H. Synaptic activations by UV un-caging and neuronal function analysis. The 29th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society Luncheon Seminar speaker. 日本神経科学学会ランチョンセミナー・シンポジウム発表, 2006

川崎真弘・渡辺正峰・奥田次郎・坂上雅道・合原一幸.視覚性短期記憶内のfeature bindingメカニズムに関するfMRI研究.脳と心のメカニズム第7回夏のワークショップ, 長野、2006年8月20日

川崎真弘・渡辺正峰・奥田次郎・坂上雅道・合原一幸.視覚ワーキングメモリにおける特徴統合と特徴選択(fMRI).脳と心のメカニズム第6回冬のワークショップ, 北海道ルスツリゾート、2006年1月10日

井出吉紀、 Guy Sandner、 相原威、塚田稔 恐怖条件付け学習によりモルモット聴覚野に生じる可塑的変化の光計測 日本神経回路学会第16回全国大会、名古屋、2006年9月19-21日


2005

塚田稔: 記憶と学習の計算モデル. 知能と情報(日本知脳情報ファジィ学会誌)17, p.3-10, 2005.

岡崎俊太郎、加納慎一郎、高浦加奈、相原威、塚田稔、岡浩太郎 音長差の認知における二つの神経機構 日本神経回路学会第15回全国大会 2005/9/21

相原 威、柏木康利、福島康弘、塚田稔 海馬CA1野におけるSTDPとカルシウム流入の関係 脳と心のメカニズム第5回冬のワークショップ A-18(2005)1月

相原威、西山誠、浦久保秀俊 スパイクタイミング依存性可塑性に関するNEUROシミュレータの応用 日本神経回路学会誌 Vol.12 No.294-99 (2005) 6月

福島康弘、山崎吉之、相原威、小島比呂志、塚田稔 海馬CA1野・錐体細胞の連合性LTP成立における活動電位逆行性伝播の必要性 第28回日本神経科学大会 p1-047,108 (2005) 9月

井出吉紀、相原威、塚田稔 CS-US連合学習に伴う大脳皮質聴覚野における可塑的変化の光計測 神経回路学会第15回全国大会 p.87-88 (2005) 

相原威、福島康弘、内久根優輝、内田將章、塚田稔 シナプス入力による逆伝播スパイクのゲーティング作用 第28回日本神経科学大会p1-048,108 (2005)

相原 威、佐々木 寛、塚田 稔 STDPのデンドライトにおける場所依存性とカルシウムの関係 第14回海馬と高次脳機能学会 p.13 (2005)

渡辺秀典、相原威、塚田稔: シェファー側枝刺激による海馬CA1錐体細胞の膜電位θ波周期振動の位相変化、 神経回路学会第15回全国大会 p.121-122 (2005)

川崎真弘・渡辺正峰・奥田次郎・坂上雅道. fMRIを用いた視覚的ワーキングメモリにおける特徴統合の研究.第1回横幹連合コンフェレンス、 長野、2005年11月25-26日

川崎真弘・渡辺正峰・奥田次郎・坂上雅道.視覚ワーキングメモリにおける特徴統合.脳と心のメカニズム第6回夏のワークショップ、 札幌、2005年8月24-25日


2004

柏木康利、阿蒜洋一、渡辺秀典、相原威、塚田稔 海馬CA1野におけるSTDPとカルシウム流入量との関係 電子情報通信学会技術研究報告 vol.103 No.732, pp.1-4 (2004)

岡崎俊太郎、加納慎一郎、渋谷和磨、高浦加奈、武田湖太郎、塚田稔、岡浩太郎 聴覚オドボール系列に対する麻酔下モルモットの脳活動応答 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会(仙台) 2004/5/28

宮崎崇史、大神田瑞樹、山本純、佐々木寛、塚田稔、安西祐一郎 大脳皮質聴覚野における海馬刺激強度依存的な応答変化の光計測 日本神経回路学会誌、Vol.12,No.1,11-16(2005)

宮崎崇史、鈴木理恵、Guy Sandner、塚田稔、安西祐一郎 古典的条件付けにより大脳皮質聴覚野に生じる可塑的変化の光計測 日本神経回路学会誌 Vol.12, No.1, 32-38 (2005)

高浦加奈、岡崎俊太郎、武田湖太郎、渋谷和磨、塚田稔、富田豊 モルモット一次聴覚皮質の聴覚誘導課題に対する神経応答 日本神経科学大会 Neuro2004 2004/9/21

相原威、塚田稔 学習・記憶神経回路網の情報処理 -海馬における可塑性誘起のメカニズム-玉川大九工大COE合同会議 2004

渡辺秀典、 長宗伸朋、 相原威、 塚田稔: シェファー側枝刺激による海馬CA1錐体細胞の膜電位θ波周期振動の位相変化、日本神経科学大会 Neuro2004 2004

Kojima, H., Satoh, M., Magamune, Y and Tsukada, M. Enhancement of optical signals recorded from CA1 of CaMKII-transgenic mouse during long-term potentiation. Neuroscience Research Suppl. 1, vol. 50, OG3-10 日本神経科学学会口頭発表, 2004

Kojima, H. Fast multi-point uncaging system for activation of many points of a neuron. Symposium of new methods in neuroscience. 統合脳・脳機能解析新技術研究会・東京シンポジウム発表 2004

奥田次郎.脳の中の「未来」-イメージング研究からわかること.玉川大学遺伝子解析・脳活動計測施設落成記念講演会.東京.2004年4月.

奥田次郎.脳の予定記憶とその情報処理. 日本人工知能学会強化学習とBDIアーキテクチャー.東京.2004年3月


2003

T. Aihara, Y. Abiru, Y. Kashiwagi,Y. Yamazaki and M.Tsukada Ca2+ influx during the induction of the spike-timing dependent plasticity in the Hippocampal CA1 network. Neuroscience Research vol.46 s-1 p.175 (2003) 7/25

T.Kodama, M.Takahashi, T. Aihara, M. Tsukada and Y. Anzai A study on improving the accuracy of spike sorting of multiple-unit recorded data. Neuroscience Research vol.46 s-1 p.165 (2003) 7/25

M.Takahashi, T.Kodama, T.Aihara, M.Tsukada, Y. Anzai Context dependent of rat hippocampal CA1 neurons during simple alternation and simple repeating tasks. The 26th Annual meeting of the Japan Neuroscience Society Neuroscience Research vol.46 s-1 p.166 (2003) 7/25

鈴木理恵、宮崎崇史、岡崎俊太郎、碓井祐介、藤田毅弘、松田拓也、水野真、塚田稔 二音系列刺激に対する聴覚皮質応答の光計測 NC研究会(玉川大),2003

高橋 宗良、川井 淳、児玉 崇晶、市川 一雄、土屋 茂之、芳賀 亮介、相原 威、塚田 稔、安西 祐一郎 単純交代系列行動下におけるラット海馬CA1領域のニューロン活動計測 電子情報通信学会技術研究報告 vol.101 No.734,pp.25-28 (2003)

藤原浩樹、伊藤慎、北原智洋、野瀬洋平、岩澤賢幸、大河原宜和、塚田稔 条件付け味覚嫌悪反応における神経活動計測 MEとバイオサイバネティックス研究会(玉川大),(2003)

山崎吉之、海津敬倫、石塚典生、塚田稔 ラット聴覚皮質-嗅周皮質の結合様式 日本神経回路学界第13回全国大会 2003/9/10

阿蒜洋一、柏木康利、相原威、塚田稔 STDP誘起刺激時の海馬神経回路網のカルシウム計測 電子情報通信学会技術研究報告 vol.103 No.152,pp.1-4(2003) 6/26

柏木康利、阿蒜洋一、相原威、塚田稔 海馬神経回路網におけるSTDP誘起時の細胞内カルシウム流入への抑制性 ニューロンの影響 日本神経回路学会第13回全国大会講演論文集 p.222-223 (2003) 9/10

藤井聡、黒田洋一郎、アーメド・トーフィック、佐々木寛、金子健也、加藤宏司:代謝型およびNMDA型受容体アゴニスト投与で化学的に誘導した海馬LTPへの細胞外ATPの増強効果、ATP・アデノシン研究会「第8回学術シンポジウム」合同発表会、2003


2002

岡崎俊太郎、武田湖太郎、宮崎崇史、安達友希、碓井祐介、松田哲也、佐々木寛、水野真、塚田稔、富田豊 モルモット聴覚皮質における層構造と周波数選択性 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会 2002/3/18

岡崎俊太郎、碓井祐介、武田湖太郎、宮崎崇史、塚田稔 ブートストラップ法を用いた聴覚皮質応答PSTHの統計解析とその検証 日本神経回路学会第12回全国大会, pp. 3-26 (2002)

藤原浩樹、金城宏有、石原島誠、牧野真一、諸星薫、須江大介、塚田稔 条件付け味覚嫌悪反応における脳活動計測 日本神経回路学会第12回全国大会 (2002)

相原 威 可塑性神経回路の時間情報処理機能 東北大学電気通信研究所共同プロジェクト研究会―脳:認知科学と神経科学と工学― (2002)3.1

阿蒜洋一、櫻井康二、熊倉基裕、小林祐喜、相原威、塚田稔 海馬CA1野のタイミング刺激によるCa2+流入の光計測 電子情報通信学会技術研究報告 vol.101 No.734 p.7-12 (2002) 3月

相原威、阿蒜洋一、柏木康利、塚田稔 海馬神経回路網における時間タイミング依存性LTP/LTD 電気学会研究会資料産業システム情報化研究会 11S-02-23~33, p.1-4 (2002) 12月

藤井聡、佐々木寛、李建民、金子健也、加藤宏司:海馬シナプス可塑性への代謝型グルタミン酸受容体の関与、第11回海馬と高次脳機能学会、2002

加藤宏司、李建民、金子健也、藤井聡、伊藤憲一、佐々木寛:虚血により海馬を破壊した砂ネズミの4ヶ所餌取り学習、第79回日本生理学会大会、2002

書籍

2008

塚田稔 4.2.1「脳の可塑性」 自己組織化ハンドブック、 ㈱エン・ティー・エス Link

Tsukada M. The Chapter 6. Interaction between the Spatio-Temporal Learning Rule(non-Hebbian) and Hebbian in Single Cells, A cellular mechanism of reinforcement learning in the Book: Reinforcement Learning-Theory and Applications. I-TECH Education and Publishing, p.105-118, Jan/2008

Tsukada M. Synaptic plasticity (essay). Encyclopedia of Neuroscience, Springer.