富山大学工学部 生命工学コース 脳・神経システム工学研究室 Labolatory of Brain and Neural Systems Engineering

脳・神経システム工学研究室

学習・記憶メカニズムの解明と応用を目指して

研究紹介

脳と機械・ロボットとのインターフェースをめざして

オペラント条件付けを用いたBrain-Machine Interfaceの研究

　我々は、近年盛んになりつつあるBrain-Machine Interface (BMI) の研究領域において、BMI訓練中の動物の神経活動変化（学習・可塑性）を解析するとともに、研究より得られるシステム論的な観点を取り入れて、より良いBMIの開発に生かすことを試みている。BMIは脳と機械を直接つなぐシステムであり、脳科学とロボット工学の最先端をつなぐシステムである。また、身体のさまざまな障害を補完する臨床医学的な実用にとっても、脳を解明し人間を理解する上でも実用化が期待されている。
　BMIの中でも運動出力型のBMIを取り上げ、神経活動によるロボット制御を目標としている。まずは基礎的研究として、ラットにレバー押し、及び、レバー操作によるロボットの操縦を学習させ、レバー押し中の神経活動を測定した。得られたデータを解析してレバー押しに特徴的な神経活動を抽出し、最終的にはラットの神経活動のみでロボットを動かすことを目指している。

高次脳機能の解明

学習メカニズムの多重性と階層的制御

　脳の機能を理解するためには、個体の行動から神経回路、神経細胞及び分子にわたって各階層を対応付けながら統合的に研究を行うことが求められる。瞬目反射条件付けはそのような研究を展開可能な有望な学習課題である。
　瞬目反射条件付けは、音（CS）とまぶたへの侵害刺激（US）の組み合わせにより、音を聞くだけでまぶたを閉じるようになる連合学習である。この学習は、その構成要素となる下位神経回路が比較的良くわかっていることが特徴である（Fig. 1）。この単純な運動反射の獲得および維持には小脳および脳幹が最も重要な役割を果たし、さらに、CSとUSの時間関係を変えるだけで海馬・内側前頭前野（mPFC）に対する依存性が増大する。瞬目反射条件付けは、連合学習に関与する複数の神経領域の構造と機能、及び、それら領域間の相互作用を神経回路レベルで研究することを可能にする有望な実験モデルである。現在、海馬依存性が異なる複数の学習課題（遅延課題、トレース課題、文脈依存的弁別課題）を用いて、集団的神経活動である海馬シータ波の役割を研究している。

メンバー紹介

川原　茂敬

川原　茂敬教授

Shigenori KAWAHARA, Professor

略歴

東京大学薬学部卒業、同大学大学院薬学系研究科修士課程修了、同研究科博士課程中退、同大学薬学部助手、博士（薬学）取得、助教授、富山大学大学院理工学研究部（工学）教授、現在に至る

学位・資格等

博士（薬学）

専門分野

行動神経科学

主な業績

  • Tanaka N, Sano K, Rahman MA, Miyata R, Capi G, Kawahara S (2018) Change in hippocampal theta oscillation associated with multiple lever presses in a bimanual two-lever choice task for robot control in rats. PLoS ONE 13(2): e0192593. doi.org/10.1371/journal.pone.0192593
  • Tokuda K, Nishikawa M, Kawahara S (2014) Hippocampal state-dependent behavioral reflex to an identical sensory input in rats. PLoS ONE 9(11): e112927. doi:10.1371/journal.pone.0112927.
  • Kato Y, Takatsuki K, Kawahara S, Fukunaga S, Mori H, Mishina M, Kirino Y (2005) NMDA receptors play important roles in acquisition and expression of the eyeblink conditioned response in glutamate receptor subunit delta2 mutant mice. Neurosci 135: 1017–1023.
  • Kotani S, Kawahara S, Kirino Y (2003) Trace eyeblink conditioning in decerebrate guinea pigs. Eur J Neurosci 17: 1445–1454.
  • Takatsuki K, Kawahara S, Kotani S, Fukunaga S, Mori H, Mishina M, Kirino Y (2003) The hippocampus plays an important role in eyeblink conditioning with a short trace interval in glutamate receptor subunit delta2 mutant mice. J Neurosci 23: 17–22.
  • Kawahara S, Toda S, Suzuki Y, Watanabe S, Kirino Y (1997) Comparative study on neural oscillation in the procerebrum of the terrestrial slugs Incilaria bilineata and Limax marginatus. J Exp Biol 200: 1851–1861.
  • Kawahara S, Yano M, Shimizu H (1994) Radular mechanosensory neuron in the buccal ganglia of the terrestrial slug, Incilaria fruhstorferi. J Comp Physiol A 174: 111–120.

プロフィール

 

臼井　弘児

臼井　弘児技術職員

Koji USUI, Technical staff

主な業績

  • Md. Ashrafur Rahman, Norifumi Tanaka, Koji Usui, Shigenori Kawahara (2016) Role of muscarinic acetylcholine receptors in serial feature-positive discrimination task during eyeblink conditioning in mice. PLoS ONE 11(1): e0147572. doi:10.1371/journal.pone.0147572

研究業績

瞬目反射条件付け関連

論文・発表

  • Hirono M, Watanabe S, Karube F, Fujiyama F,i Kawahara S, Nagao S, Yanagawa Y, Misonou H (2018) Perineuronal nets in the deep cerebellar nuclei regulate GABAergic transmission and delay eyeblink conditioning. J Neurosci. 38(27):6130 – 6144.
  • Rahman MA, Tanaka N, Usui K, Kawahara S (2016) Role of muscarinic acetylcholine receptors in serial feature-positive discrimination task during eyeblink conditioning in mice. PLoS ONE 11(1): e0147572. doi:10.1371/journal.pone.0147572.
  • Tokuda K, Nishikawa M, Kawahara S (2014) Hippocampal state-dependent behavioral reflex to an identical sensory input in rats. PLoS ONE 9(11): e112927. doi:10.1371/journal.pone.0112927.
  • Takatsuki K, Kawahara S, Mishina M, Kirino Y (2005) Characterization of hippocampal theta rhythm in wild-type mice and glutamate receptor subunit 2 mutant mice during eyeblink conditioning with a short trace interval,” Brain Res 1063: 159–167.
  • Kato Y, Takatsuki K, Kawahara S, Fukunaga S, Mori H, Mishina M, Kirino Y (2005) NMDA receptors play important roles in acquisition and expression of the eyeblink conditioned response in glutamate receptor subunit delta2 mutant mice. Neurosci 135: 1017–1023.
  • Takehara K, Kawahara S, Kirino Y (2003) Time-dependent reorganization of the brain components underlying memory retention in trace eyeblink conditioning. J Neurosci 23: 9897–9905.
  • Kotani S, Kawahara S, Kirino Y (2003) Trace eyeblink conditioning in decerebrate guinea pigs. Eur J Neurosci 17: 1445–1454.
  • Takatsuki K, Kawahara S, Kotani S, Fukunaga S, Mori H, Mishina M, Kirino Y (2003) The hippocampus plays an important role in eyeblink conditioning with a short trace interval in glutamate receptor subunit delta2 mutant mice. J Neurosci 23: 17–22.

オペラント条件付け関連

論文・発表

  • Rama E, Capi G, Fujimura Y, Tanaka N, Kawahara S, Jindai M (2018) Novel biological based method for robot navigation and localization. J. Electronic Science and Technology, 16(1): 16-23, doi: 10.11989/JEST.1674-862X. 61103123.
  • Tanaka N, Sano K, Rahman MA, Miyata R, Capi G, Kawahara S (2018) Change in hippocampal theta oscillation associated with multiple lever presses in a bimanual two-lever choice task for robot control in rats. PLoS ONE 13(2): e0192593. doi: 10.1371/journal.pone.0192593
  • Rama E, Capi G, Mizusaki S, Tanaka N, Kawahara S (2016) Effects of environment changes on rat’s learned behavior in an elevated Y-maze. J. Medical and Bioengineering, 5(2): 113-118. doi: 10.18178
  • Mano M, Capi G, Tanaka N, Kawahara S (2013) An Artificial Neural Network Based Robot Controller that Uses Rat’s Brain Signals. Robotics, 2: 54–65.
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