2016 Fiscal Year Annual Research Report
大脳皮質の領野間相互作用を担う神経回路の細胞・シナプスレベルでの機能解明
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25221001
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大木 研一 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (50332622)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2018-03-31
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| Keywords | 大脳皮質 / 領野間相互作用 / 情報分配 / 並列処理 / 軸索 / ２光子イメージング / 方位選択性 / 空間周波数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
安静時におけるマウスの脳活動の詳細な時空間構造、更にそれが脳血流に変換される様子を観察することに成功した。これにより、血流変化による領野間相互作用がカルシウムシグナルによる相互作用と対応していることが示された。さらに、安静時の自発活動は、脳全体に波及する波として発生していること、その波の各時点でのパターンが領野間相互作用のパターンと類似していることが見出され、領野間相互作用のパターンは、自発活動の波に埋め込まれていることが明らかになった。この知見は、安静時脳活動を利用した脳のネットワーク構造の解明や脳疾患診断の技術開発へ繋がることが期待される。研究結果はPNASに発表された(Matsui et al., 2016)。
広域カルシウムイメージング法を用いて、マウスの高次視覚野を全て同時に機能マッピングし、高次視覚野間の機能的な差異を見出した。（Murakami et al., in revision）。その結果、マウスの高次視覚野も腹側経路と背側経路に分類されることが明らかになった。側頭葉の側に位置する４つの高次視覚領野（腹側経路）は、どの領野も高空間周波数・低時間周波数の刺激に強く反応し“形”に関する視覚情報を表現していた。一方、頭頂葉に位置する５つの高次視覚野（背側経路）は多様な空間周波数・時間周波数特性を持っていることが明らかになった。近年、霊長類でも、背側経路には複数のサブ経路が含まれていることが明らかにされており、マウスにおいても同様に背側経路には複数のサブ経路があるものと思われる。背側経路のうち頭頂葉の内側部に位置する高次視覚野は、高空間周波数・低時間周波数の刺激に強く反応し、背側にありながら“形”の情報を表現していることを見出した。この情報はRS野に伝えられ空間ナビゲーションに役立っていると考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
複数の領野への情報分配のメカニズムについて、V1から背側経路、腹側経路への情報分配について解決し、論文として公表した（Matsui et al., 2013）。
また、マウスの大脳半球全体を含む広範囲で機能マッピングを行う方法を開発した（Murakami et al., 2015）。この方法を用いて、マウスの高次視覚野には、背側経路、腹側経路の機能差に加えて、背側経路には複数のサブ経路が含まれていることを見出した（Murakami et al., in revision）。このように広域機能マッピングにより、マウスの高次視覚野の機能分化の理解が大きく進んだ。
また、マクロレベルでの領野間相互作用の理解が進んだ。安静時の機能的相関は、ヒトのfMRIで、領野間相互作用を調べるために広く使われているが、神経活動の相関とどれくらい対応しているのか不明であった。神経活動と直接的に相関するカルシウムイメージングと血流のイメージングを同時に行うことにより、血流変化による領野間相互作用がカルシウムシグナルによる相互作用と対応していることが示された（Matsui et al., 2016）。
さらに、発達期の自発活動の様子、レチノトピーの対応する場所に領野間の相互作用が強く見られること、V1と高次視覚野の相互作用よりも、高次視覚野間の相互作用が先に強くなることが見出され（Murakami et al., in preparation）、さらにこの発達期の自発活動の役割が明らかになった（Hagihara et al., 2016）。神経細胞の自発活動が、方位選択性の形成・成熟に必要ではないかとする従来の仮説を覆す結果である。
このように、マウスの高次視覚野の機能分化、情報分配のメカニズム、領野間のマクロレベルの相互作用の理解は、当初の目標を超えて飛躍的に進展した。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である本年度は以下のテーマに取り組む。
①高次視覚野の中で、V1などの低次視覚野には見られない反応特性を持つ領野があり、さらに進んだ情報処理がされていると予想されるが、カルシウムイメージングを用いて、そのような領野を探索する。ヒトなどで、錯視を起こす刺激に対して反応する領野が知られているが、マウスでも同様な刺激を用いて、それに特異的に反応する領野を探索する。
② ①で見出されたような錯視を起こす刺激に対して特異的に反応する領野について、その領野へ入力する軸索のイメージングと、それを受け取る細胞体のイメージングを行い、どのような神経回路で錯視に対する反応が形成されるのかを解明する。
③ ①で見出されたような錯視に対応する反応が観察されている時に、動物が何を知覚しているのかを理解するために、２光子カルシウムイメージングを用いて、数百個の神経細胞の集団の活動を記録し、それらの活動からデコーディングを行うことを試みる。
④ 前帯状回皮質にAAVを用いてChR2を発現させ、光刺激により、視覚注意と同様のトップダウンの反応修飾をV1および高次視覚野に惹起する。広域カルシウムイメージングを用いて、前帯状回皮質刺激により、最も強く反応修飾を受ける領野を同定する。
⑤ 研究目的で述べた仮説に基づき、視覚刺激を与えていないときには、前帯状回皮質を光刺激した時もV1への影響はほとんどなく、視覚刺激と同時に与えて始めて光刺激時の反応亢進が見られるかどうか検証する。並行して、マウスに視覚的注意課題を学習させ、課題遂行時にも、同様の結果が得られるかどうか検証する。
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