RESEARCH

認知行動発達機構研究部門では、マカクザルをモデル動物として社会的な認知機能の神経機構を明らかにするための実験研究を展開している。特に、対面する２頭のサルを用いた新規の行動タスクを開発し、標的とする脳領域からタスク遂行中の単一神経細胞活動を記録して、大脳皮質および皮質下領域が自己や他者の行動情報処理のどのような側面にどのように関与するのかを明らかにしている。さらに、複数の脳領域から局所場電位を同時計測して脳領域間の機能連関様式を明らかにするための研究や、ウイルスベクターによる神経路選択的な活動操作がタスク遂行に及ぼす影響を解析して当該神経路の機能的役割を実証するための研究も行っている。加えて、社会的認知機能のゲノム基盤の解明に向けて、注目する遺伝子に変異をもつマカクザル個体を対象とした認知ゲノミクス研究も推進している。社会的認知機能の変容は、自閉スペクトラム症などの神経発達障害や統合失調症などの精神障害に広く認められることから、その神経機構を解明することは社会的にも必要かつ喫緊の課題である。 

The Division of Behavioral Development conducts experimental research using the Japanese macaque to understand the neural mechanism of social cognitive functions. In particular, we clarify how cortical and subcortical brain regions process behavioral information derived from self and other. For this purpose, we develop novel behavioral procedures using pairs of monkeys and record neural activity in target brain regions. We also clarify a causal role for functional coordination between brain regions in social information processing by using viral vector-mediated pathway-selective intervention. Additionally, we perform cognitive genomic studies in monkeys with mutations in genes linked to central nervous system disorders. Because altered social cognitive capabilities are commonly observed in neurodevelopmental (e.g., autism spectrum disorders) and psychiatric (e.g., schizophrenia) disorders, understanding the neural mechanism of social cognition meets a social demand. 

腹側運動前野と内側前頭前野はそれぞれミラーシステムとメンタライジングシステムのノードと考えられている。しかし、両者の機能的差異、両者の機能連関の様式、自閉スペクトラム症表現型との関連性は未解明である。本研究では対面する２頭のニホンザルに対し、他者の動作情報を参照して自己の動作を適切に選択することを要求するタスク（図１）を考案し、腹側運動前野と内側前頭前野から神経活動を同時に計測した。また、ウイルスベクターを用いて腹側運動前野から内側前頭前野に投射する神経路の活動を選択的に遮断し、タスク遂行への影響を検討した。その結果、２つの脳領域では動作主関連ニューロン（ミラーニューロン、他者ニューロン、自己ニューロン）の存在割合が異なること（図２A）、及び生物学的他者に対する選好性が異なること（図２B）を見出した。２領域の機能連関については、動作遂行時と動作観察時にデルタ帯域の同期的活動が高まること、及び他者の生物性が高いほど腹側運動前野から内側前頭前野への情報流が増加することを見出した（図２C）。さらに、当該神経路の情報流を遮断すると（図３A）、他者の動作情報に基づく自己の動作選択が障害され、その程度は他者の生物性が高いほど顕著になることを見出した（図３B）。本研究により、ミラーシステムとメンタライジングシステムをつなぐ神経回路の機能的役割が初めて明らかにされた。 

The ventral premotor cortex (PMv) and the medial prefrontal cortex (MPFC) are considered to be the nodes of mirror and mentalizing systems, respectively. However, little is known about the functional coordination between these two systems and their possible relationship with autism spectrum disorder (ASD) phenotypes. In the present study, we designed a task in which two face-to-face monkeys select their own action by observing the action of the other (Fig. 1), and measured the neural activity in the PMv and MPFC simultaneously. We found that the prevalence of agent-related neurons (i.e., mirror-type neurons, partner-type neurons, self-type neurons) and the preference for biological others were different between the two regions (Figs. 2A, B). Delta-band coherence increased during action execution and action observation, and the information flow in the PMv-to-MPFC direction increased as the other became more social (Fig. 2C). Furthermore, the blockage of information flow from the PMv to the MPFC (Fig. 3A) impaired action selection on the basis of other-action information; the degree of this impairment was greater as the others became more social (Fig. 3B). Our findings suggest that functional coordination between the PMv and MPFC plays a critical role in social action monitoring. 

ヒトやサルなどの社会的動物は、自己の報酬に加え、他者が得る報酬に対しても関心を示す。しかし、他者の報酬情報が脳内のどの領域でどのように処理されるのかについては未解明の部分が多い。本研究では対面する２頭のニホンザルを用いて社会的コンテキストでの古典的条件づけを考案し、行動解析と電気生理学的解析を行った。社会的古典的条件づけでは，個々の条件刺激に対し自己と他者で異なる報酬確率を関連づけた。リッキング運動を指標としてサルの報酬期待を検討した結果、自己の報酬確率が同一でも他者の報酬確率が増加すると減少したことから、主観的価値を反映するものと考えられた。黒質緻密部と腹側被蓋野（ドーパミンDA作動性中脳核）、視床下部外側野（LH）、内側前頭前野（MPFC）から単一神経細胞活動を記録した。DA細胞は条件刺激提示後一過性に自己報酬の主観的価値を表現した。LH細胞は、条件刺激提示直後には自己報酬の主観的価値を表現し、その約500ms後には自己の報酬確率か他者の報酬確率かを細胞ごとに選択的に表現した。MPFC細胞は、持続的に自己の報酬確率か他者の報酬確率かを選択的に表現した。さらに３領域から同時計測した局所場電位にGranger causality解析を適用し、顕著なトップダウン信号を同定した（MPFC→DAとMPFC→LH）。大脳皮質での自他選択的な報酬情報が皮質下にて主観的価値情報に統合される可能性が考えられた。 

Social animals including humans and monkeys show an interest in the reward they obtain, as well as in the reward others obtain. However, the regions of the brain in which other-reward information is processed remain unknown. In this study, we devised a Pavlovian conditioning procedure in social contexts using two monkeys sitting face-to-face and performed behavioral and electrophysiological analyses. In this social Pavlovian procedure, different reward probabilities for self and other were associated with different conditioned stimuli. We evaluated a subjective value of one’s own reward using licking and choice behaviors, which increased as the self-reward probability increased but decreased as the other-reward probability increased. The activity of single neurons was recorded in the substantia nigra pars compacta and the ventral tegmental area (collectively called the dopaminergic midbrain nuclei), the lateral hypothalamus (LH), and the medial prefrontal cortex (MPFC). Dopamine neurons transiently encoded the subjective reward value after onset of the conditioned stimuli. The LH neurons initially encoded the subjective reward value and then selectively encoded the self-reward probability or other-reward probability. The MPFC neurons consistently encoded the self-reward probability or other-reward probability. The Granger causality analysis revealed a significant level of information flow from the MPFC to the dopaminergic midbrain nuclei and to the LH. Our findings indicate that subjective value coding in the subcortical areas may be generated on the basis of agent-specific reward information in the MPFC. 

我々の身体運動は、視覚刺激、聴覚刺激、物理的拘束条件など、身体外の環境から影響を受ける。特にリズミカルな運動では、場のリズムへの同調や、動作主体同士が互いにリズムを引き寄せあう現象――本研究ではこれを同期指向性と呼ぶ――が知られている。同期指向性は、「集団」ひいては「社会」の形成に重要と考えられるが、その神経実態は未解明である。いかなる神経ネットワークが自己と他者のリズムの違いを検出し、同期するように仕向けるのだろうか。この疑問に答えるため、新規の行動タスクを考案し、行動実験と電気生理学的実験を実施している。 

Body movements are influenced by external factors including visual and auditory stimuli and physical constraints. In particular, rhythmic movements are characterized by the actor’s coordination with the rhythm in the environmental field or the synchronization between co-acting individuals, which we refer to as “synchronization orientation.” Although synchronization orientation is considered to play a role in the formation of a group and even a society, its neural underpinnings remain unclear. Which brain regions and neural networks detect differences in the rhythms between self and other? What neural mechanisms might underlie synchronization orientation? To address these issues, we devise behavioral tasks and carry out behavioral and electrophysiological experiments. 

実社会では、他者の利益を自らの喜びとすることもあれば、それを妬みの対象とすることもある。他者の利益は、前者では快刺激、後者では不快刺激と見なすことができる。同じ他者の利益に対して、なぜこのような正反対の価値判断や情動反応が生じるのだろうか。他者の利益が自己の脳内でどのように処理されるのかを明らかにするため、対面した２頭のマカクザルを用いて新規の行動タスクを開発し、皮質下領域の神経活動を解析している。 

In the real world, a reward to others can become a source of pleasure, while it can also become an object of envy. Other rewards can be seen as pleasant stimuli in the former and unpleasant stimuli in the latter. Why do completely opposite value judgements and emotional reactions arise from the same other rewards? In order to understand how the brain evaluates other rewards in a context-dependent manner, we devise a behavioral task using two face-to-face monkeys and record neural activity in subcortical regions. 

霊長類大脳皮質では，自己と他者の行為を区別して表現する神経細胞群の存在が知られている。これまでの研究から、これらのニューロンが自他の区別を実現する際には行為に伴う予測と結果の比較照合が重要であると考えられているが、細胞レベルでの詳細な神経機構は不明である。そこで本研究では、行為における自他判別機構の解明を目標として，自身の行為における視覚フィードバックに予測誤差が伴う認知課題を作成し、これを遂行中のマカクザルを対象として神経活動記録実験を実施している。

Distinct populations of neurons in the primate medial prefrontal cortex encode actions of the self and others. However, the neural mechanisms that enable such self-other distinctions remain largely unclear. Previous studies have suggested that comparing predicted and actual sensory feedback may play a crucial role, but the underlying neural mechanisms are still poorly understood, especially at the cellular level. To investigate these mechanisms, we perform neurophysiological experiments in monkeys engaging in a goal-directed reaching task that induces prediction errors in the visual feedback of one’s own actions.