2019年度の12号目のネイチャーのハイライトより。
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神経科学：皮質回路で影響をマッピング
Nature 567, 7748
2019年3月21日
神経科学：皮質回路で影響をマッピング
Nature 567, 7748
2019年3月21日
皮質では、相互に結合したニューロン集団が回路を作り、神経表現を改編するための演算を行う。神経科学上の基本的問題は、この局所回路によってどの変換が能動的に行われているかを解くことである。S ChettihとC Harveyは今回、覚醒マウスの一次視覚野（V1）で単一ニューロンの活動を擾乱したときに、その活動が周囲のニューロンに及ぼす影響を画像化する新たな方法を開発した。この因果推論実験によって、同調が類似したニューロンの抑制など、V1での局所的相互作用の諸原則が明らかになった。この技術は、他のニューロン集団でもその演算を検討するための一般的なツールとして役立つ可能性がある。
News & Views p.320
Article p.334
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この論文は、ネイチャーのニュースにも取り上げられました。
日本語版本誌では、「神経科学：単一ニューロンの波及効果」と題されています。
見出しにおいては、「単一ニューロンの脳機能への寄与はごくわずかだと思われるかもしれない。しかし今回、単一ニューロンの影響をマッピングすることで、冗長性を防ぎ明確な伝達を可能にする複雑なパターンが明らかになった。」と取り上げられました。
フルテキストを直訳しますと・・・
そのネットワークに対する単一のニューロンの影響
となります。
見出しを直訳しますと・・・
脳機能への単一ニューロンの寄与は無視できるように見えるかもしれません。しかし、単一のニューロンの影響のマップは、冗長性を防ぎ、明確なメッセージングを可能にする複雑なパターンを明らかにします。
本文を直訳しますと・・・
液滴が液体のプールに当たると、同心のカスケード波紋が形成されます。これらの波紋を研究することで、アイデンティティー、質量、密度、速度など、液体とその分子の特性に関する情報が得られます。自然界で書くと、ChettihとHarvey[1]は同様のアプローチで、マウスの脳の一次視覚皮質の神経回路の機能特性を解明します。これらは、単一のニューロンの活動をわずかに増加させ、ニューロンのプールとなります。
著者らは、影響マッピングと呼ばれる方法を使用して、隣接するニューロンの活動に対する個々のニューロンの影響を直接測定しました。彼らは光感受性イオンチャネルがニューロンで発現されるようにマウスを遺伝的に改変し、次に光を使用して神経活動を制御した（オプトジェネティクスと呼ばれるアプローチ）。マウスはまた、カルシウム濃度の蛍光インジケーターを発現するように作られました。これは、ニューロンの電気的活動のレポーターとして機能します（カルシウムイメージングと呼ばれる手法）。光遺伝学的刺激は、標的ニューロンの活動（活動電位）のいくつかのスパイクを引き起こしました。その後、ChettihとHarveyはカルシウムイメージングを使用して、隣接するニューロンのスパイク活動に対する単一の操作されたニューロンの影響を測定しました。
単一のニューロンのいくつかの追加の活動電位は、ニューロンの複雑な絡み合ったネットワークのバケットの低下にすぎません。しかし、著者がターゲットニューロンと隣接ニューロンの間の距離、およびそれらの機能的特性（つまり、視覚刺激に対して同様または異なる方法で応答するかどうか）を検討すると、意味のある画像が現れました。彼らの機能的接続性のモデルは、一次視覚皮質で実行される基本的な計算を垣間見せます。
過去15年間で、生きている動物の単一ニューロンの研究により、個々のニューロンがどのように接続され、ネットワーク全体の機能に寄与するかについての知識が向上しました[2-7]。これらの研究の多くは、シナプスと呼ばれるニューロン間の接続が豊富であるが、一般的に弱い皮質の神経回路に焦点を当ててきました[5]。これらの皮質シナプスの特性は、単一のニューロンのスパイク活動がほとんど意味を持たないタイプのネットワーク計算を示唆しています。まだ実験的な証拠は、単一のニューロンの刺激が行動上の結果をもたらすことができることを示しています。
たとえば、運動皮質の単一ニューロンの電気刺激は、マウスのひげの動きを引き起こす可能性があります[6]。ラットでは、感覚情報の処理に関与しているバレル皮質の個々のニューロンの同様の刺激が、タッチ知覚に関連する舐め行動を引き起こす可能性があります[7]。奇妙なことに、皮質ネットワークはすべてではなく一部の刺激されたニューロンの活性化に敏感であるように見えます[6,7]。 ChettihとHarveyはこの観察について説明しています。
影響マッピングのアプローチにより、電気生理学を使用して研究されたニューロンよりも多くのニューロンの集団を分析することが可能になります[4,8]。さらに重要なことに、それは著者が操作されたニューロンの応答とそれが影響するニューロンの応答の間の類似性の程度に従ってニューロンの影響を分類することを可能にしました[2,3]。特に、光遺伝学によって達成されるニューロンの微妙な刺激は、強力な一般化された応答を引き出し、脳の状態を変化させる可能性は低い[9]。このアプローチは、他のアプローチよりも皮質回路の基本的な計算をより厳密に反映する可能性があります。
ChettihとHarveyは主に、標的ニューロンの周りの神経活動の広範な抑制を観察しました（図1）。彼らはまた、周囲のネットワークへのニューロンの影響が距離とともに変化することもわかりました。それは、短い距離（25–70マイクロメートル）の少数のニューロンに興奮性の影響を及ぼしました。中距離での抑制的影響（70〜300μm、最大抑制は約110μm）、隣接するニューロンのほとんどに影響を与える。そして、長距離（300μm以上）ではほとんど影響がありませんでした。
著者のその後の詳細な分析により、一般的な神経活動の抑制よりもはるかに複雑なパターンが明らかになりました。彼らは、他のニューロンに対するニューロンの影響の程度が、向きや時間的頻度などの視覚刺激の特定の機能にどのように応答したかと関連していることを発見しました。ニューロンがアクティブ化されたとき、そのニューロンと同様の機能に応答するように調整されたニューロンは、異なる調整のニューロンよりも強く抑制されました。この逆の関係は、ニューロン間の距離に関係なく真のままでした。しかし、影響の波紋の中に散在して、著者らはまた、同様に標的ニューロンに同調され、それによって強く興奮したニューロンのまばらに分布したグループを発見しました（図1）。これらのニューロンの応答パターンも、ターゲットニューロンの応答パターンと時間的によく相関していました（つまり、それらのモーメントからモーメントへの電気的活動は互いに非常によく似ていました）。
著者の調査結果は、中枢神経系の複雑なネットワークが2つの並列計算モードのバランスをとることによって機能することを示唆しています。 （著者が機能競合と呼んでいる）チューニングが類似しているニューロン間の支配的な抑制的影響は、相関関係のあるニューロン（機能増幅と呼ばれる）間でまばらに分布した興奮性影響のポケットにちりばめられています。モデルは、機能の競合が冗長性を削減し、意味のある信号である入力をノイズを混乱させる信号から分離できるようにする方法を美しく示します。一方、機能の増幅は、選択したニューロンが刺激に関する情報を効果的に運ぶ能力をさらに向上させます。
ChettihとHarveyの研究はいくつかの疑問を投げかけます。機能の競争を促進する広範な神経抑制の細胞基盤は何でしょうか？抑制性介在ニューロンは局所的に作用して他のニューロンの活動を抑制し、異なるタイプの介在ニューロンは刺激に対して異なる反応を示します。たとえば、ニューロンの5つを超える活動電位のバーストは、隣接するソマトスタチン発現（SOM +）介在ニューロンの約30％でスパイク応答を誘発する可能性がありますが、パルブアルブミン発現（PV +）介在ニューロンはそのような刺激に応答しないようです[3]（対照的な所見が報告されているが[4]）。 ChettihとHarveyは、平均して、光遺伝学を使用してニューロンを標的とする6つの活動電位を追加しました。この刺激のプロファイルは、SOM +介在ニューロンの活性化をPV +介在ニューロンの活性化よりも可能性が高くする可能性があります。特に、SOM ＾+介在ニューロンはPV＾ +介在ニューロンよりも選択的に調整されます[10]。調整された抑制性ニューロンの優先的な募集は、機能の競争に向けてネットワーク応答にバイアスをかける可能性があります。
最後に、脳による刺激のエンコードは、動物の行動状態にどのように影響するでしょう？皮質ネットワークは、神経応答のパターンに影響を与える方法で、異なる行動または環境のコンテキストに対して異なるコーディングスキームを使用しているでしょうか[9]？ニューラルネットワークの「波紋」は、ケチャップのような非ニュートン流体の振る舞いのように、より大きな影響の下で劇的に変化するでしょうか？それはまだ分からない。
となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：News & Views p.320
本論文においては、日本語版本誌では、「神経科学：単一ニューロンの擾乱から明らかになる一次視覚野の特徴特異的な競争」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
単一ニューロンの摂動がV1の機能固有の競合を明らかにする
となり、Abstractを直訳しますと・・・
皮質層などの局所神経集団によって実行される計算は、通常、解剖学的接続と神経活動の観察から推測されます。ここでは、単一ニューロンの摂動を使用して皮質ニューロンが感覚表現を再形成する方法を直接測定する方法（影響マッピング）について説明します。一次視覚皮質（V1）のレイヤー2/3で、2光子オプトジェネティクスを使用して、ターゲットニューロンとカルシウムイメージングで活動電位をトリガーし、視覚刺激を見ている覚醒マウスの隣接ニューロンのスパイクへの影響を測定します。興奮性ニューロンは平均して他のニューロンを抑制し、解剖学的空間全体で中心周囲の影響プロファイルがありました。隣人に対するニューロンの影響は、活動の類似性に依存していました。特に、ニューロンは、類似して調整されたニューロンの活動を、類似して調整されたニューロンよりも抑制しました。さらに、光刺激により、特に標的ニューロンの優先刺激に対する人口応答が約2％減少しました。したがって、V1レイヤー2/3は、同様の抑制のようなモチーフが人口活動の冗長性を減らし、感覚入力の根底にある機能の推論を支援する可能性がある機能の競合を実行しました。影響マッピングを拡張して、他の神経集団の計算を調査できることを期待しています。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：Article p.334
Single-neuron perturbations reveal feature-specific competition in V1
Single-neuron perturbations reveal feature-specific competition in V1
Data availabilityによりますと・・・
この研究の結果を裏付けるデータは、妥当な要求があれば対応する著者から入手できます。
究極に溜まりに溜まったネイチャー。次回は、「がん：グリオブラストーマの代謝脆弱性」を取り上げます。
※主治医の指示に従い、休み休み行っておりますので、巡回等ブログ活動が大変遅れております。申し訳ございません。
