Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

シナプス / ２光子イメージング / 視覚情報処理 / 単一ニューロンの情報処理 / 入出力変換 / 2光子カルシウムイメージング / スパイン / 一次視覚野 / 興奮性ニューロン / シナプス入力機能マップ / 入力ー出力変換 / 非線形統合 / 神経演算 / シナプス入力 / 2光子イメージング / 抑制性ニューロン / 単一細胞の情報処理 / 樹状突起演算 / 大脳視覚野 / マウス / 視覚野

ニューロンは多数のシナプス入力を受信し、受信した信号を選択的に統合することにより、一意の出力を決めていると考えられる。しかしながら、具体的にどのようなメカニズムにより出力が決められているかは未知な点が多く残されている。単一ニューロンレベルでの情報統合メカニズムの解明は、神経回路の情報処理を理解するうえで重要なことの一つと考えられる。本研究では、マウス大脳視覚野のニューロンをモデルに入力―出力変換のメカニズムの解明を目指している。2021年度は、2020年度に引き続き大脳視覚野のニューロンのうち興奮性ニューロンに着目し、個別のニューロンからスパイン活動の大規模２光子カルシウムイメージングを行った。大脳視覚野の単一興奮性ニューロンから約１０００個のスパインの活動を記録し、各スパインの位置と反応特性を樹状突起上に再現したシナプス入力機能マップの作製に成功した。このマップをもとに、シナプス入力の機能分布を解析しモデル計算を行った結果、樹状突起における非線形演算と細胞体における非線形演算の２つの演算機構の組み合わせにより行われている可能性が分かった。結果を論文としてまとめ、学術誌に投稿した。平行して、本研究費の２つ目の課題である抑制性ニューロンにおける神経演算の仕組みの解明を行うための準備実験を開始した。抑制性ニューロンから興奮性シナプス入力を記録するには、興奮性ニューロンの場合とは異なる実験系を構築する必要があり、2021年度はその実験系を確立した。大脳視覚野ニューロンの大部分は興奮性ニューロンの為、割合の少ない抑制性ニューロン特異的にカルシウムセンサータンパクと光抑制性タンパクを発現させるために、抑制性ニューロン特異的に発現する遺伝子のプロモーターを使う発現ベクターを作成し、抑制性ニューロン特異的にイメージング可能な実験系を確立した。

シナプス / 大脳視覚野 / ２光子カルシウムイメージング / シナプス統合 / 視覚情報処理 / 神経回路 / マウス / 生体イメージング / 方位選択性 / 一次視覚野 / ２光子イメージング / スパインイメージング / 大脳一次視覚野 / スパイン / ニューロン / 生理学 / 脳・神経

脳の基本単位はニューロンで、その役割はシナプス入力を選択的に統合し出力を伝達することです。しかしながら、何千もの入力から出力を決めるメカニズムは未解明でした。本研究では、このメカニズムを明らかにするために、まずスパイン活動の正確な記録を行う新規方法を開発し、次に視覚刺激によって起こるスパイン活動をカルシウムセンサーにより記録しました。１個のニューロンから多数のスパイン反応を計測し、スパインの機能マップを作成することに成功しました。このマップを用いた解析から、細胞体活動と一致した反応を示すスパインが最も多く存在すること、またこれらが特定の樹状突起セグメントに集中していることを明らかにしました。

外界の視覚情報は眼の網膜で受容されたのち、大脳視覚野へ送られます。この時網膜では、視覚情報は一旦視覚特徴に分解され、大脳で抽出・再構築されることで外界が認識されます。視覚特徴の一つに線の傾きを表す方位択性がありますが、物体の形状認識に重要な視覚機能と考えられています。本研究では、この方位選択性という視覚特徴抽出の仕組みを明らかにしたことで、私たちがどのようにして物体の形を認識しているかというプロセスの理解に近づくことが出来ました。

デコーディング / 大脳皮質 / 視覚野 / マウス / 2光子イメージング / 画像再構成 / 集団活動 / ポピュレーションコーディング / 大脳皮質視覚野 / 画像復元 / 学習 / イメージング

本研究ではマウスの大脳皮質一次視覚野における視覚情報表現及び学習による情報表現の変化の解明を目的とした。自然画像に含まれる情報は少数の細胞の活動から取り出すことができることを明らかにした。また、同じ画像を繰り返し提示した時に、神経活動はある程度のばらつきを示したのに対して、そこから得られる画像パターンは比較的ばらつきが少なく、再現性良く表現されていた。これらの結果から、マウスの一次視覚野では不安定な神経活動にも関わらず、少数の細胞で安定して情報を表現していることを明らかにした。また、マウスが視覚弁別課題を行う際の神経活動の変化の解明も目指した。

大脳皮質での情報表現の特徴の一つとして、少数の細胞により情報が表現されるスパースコーディングという考えが提唱されている。理論的な観点からスパースコーディングの利点が提唱されているが、実際の脳内の神経活動はばらつきが大きく、少数の細胞にどのような情報がどの程度安定して表現されているかを実験的に調べた研究はほとんどなかった。本研究の意義としては、生体脳において自然画像のパターンが少数の神経細胞に表現されていること、また、神経活動は比較的不安定であるにもかかわらず、情報が安定して表現されていることを明らかにした点にある。この成果は新規の画像処理や情報処理技術の開発への応用の可能性が期待される。

【研究協力者】
大木研一
浮田純平
林亜矢子