運動タイミング学習中に小脳が大脳皮質運動野へ~報酬に基づく誤差信号を伝達することを解明~

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2025-08-22 東京大学

東京大学の研究グループ(赤穗吏映特任研究員、松崎政紀教授ら)は、小脳が報酬に基づく誤差信号を大脳皮質運動野(M2)に伝達し、運動タイミング学習を修正する仕組みを解明しました。マウスに「音開始から1秒後にレバーを引くと報酬が得られる課題」を行わせ、深部小脳核外側部→視床→M2経路の神経活動を2光子カルシウムイメージングで観察。その結果、学習初期では失敗試行直後の次試行開始時に強い一過性活動(ポストエラー活動)がM2へ伝わり、待機時間が延び成功率が上昇することを確認しました。一方、学習が進むとこの活動は消失し、運動開始直前に急峻な活動上昇が見られるようになりました。これにより、小脳は失敗の情報を次試行のタイミング調整に活用することが明らかとなり、報酬誤差駆動型学習の新たな神経基盤を提示しました。本成果はリハビリや神経疾患治療、ロボット運動学習理論への応用が期待され、『Nature Communications』に2025年8月18日付で掲載されました。

運動タイミング学習中に小脳が大脳皮質運動野へ~報酬に基づく誤差信号を伝達することを解明~
学習中、小脳は大脳皮質運動野へ失敗試行の直後の試行開始時に強い信号を伝達する

<関連情報>

小脳-視床-皮質経路は、雄マウスにおける学習中の運動タイミング補正のための報酬に基づく誤り後の信号を伝達する A cerebello-thalamo-cortical pathway transmits reward-based post-error signals for motor timing correction during learning in male mice

Rie Ako,Shin-Ichiro Terada & Masanori Matsuzaki
Nature Communications  Published:18 August 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-62831-6

Abstract

The cerebellum is critical for motor timing control and error-driven motor learning. To reveal how the cerebellum transmits these process-relevant signals to the premotor cortex, we conducted two-photon calcium imaging of cerebellar-thalamocortical axons in the premotor cortex in male mice during a self-timing lever-pull task that required 1–1.7 s of waiting after cue onset. In non-expert sessions with many lever-pulls being made before the 1-s waiting, the axons of thalamic neurons that received cerebellar outputs exhibited larger transient activity immediately after the cue onset in post-error (i.e., post-non-rewarded) trials than in post-success trials, and the waiting time and success rate were greater in post-error trials than in post-success trials. In expert sessions, the post-error-specific activity or behavior was absent. Instead, ramping activity toward lever-pull onset that did not depend on the waiting time shortened in expert sessions in comparison with non-expert sessions. Our results suggest that the cerebellum emits the reward-based post-error signal for waiting time adjustment during learning, and the well-tuned motor timing signal after learning.

医療・健康
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