Optical imaging of neuronal connections and understanding the mechanisms of signal transformation between areas TEO and TE

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26750383
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 中道 友 国立研究開発法人理化学研究所, 脳科学総合研究センター, 研究員 (70586164)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: オプトジェネティクス / 光内因性信号イメージング / 視覚

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、高次視覚野のTEO-TE野間における神経応答特性が、領野間でどのように変換されるかを解明することを目的としている。この目的の達成には、広い皮質間における神経結合の空間パターンをin vivoで記録する新規手法の開発と、これを用いたTEO-TE野間の神経結合パターンの同定、同定した神経細胞ペアの応答特性を電気生理記録する必要がある。
これまでの研究において、オプトジェネティクスと光内因性信号イメ-ジング(OISI)を用いた、皮質間投射パタ-ン計測法の開発を行った。オプトジェネティクスは、神経細胞の特定部位に光感受性蛋白質を発現させ、神経細胞を光で制御する技術である。OISIは、赤色の光を照射した脳表の画像から、神経活動に起因した微小な反射光強度変化を検出し、脳表上のどこで神経細胞が活動しているかを画像化する技術である。即ち、オプトジェネティクスを用いTEO野の細胞を活動させ、投射先のTE野でOISIを行うことにより、光刺激位置と神経活動が得られた位置からTEO-TE野の皮質間投射パタ-ンを同定することができる。
手法の検証のため、その存在が解剖学的に知られている視覚野V1/V2境界の対側投射に提案手法を適用した。右半球のV1/V2境界にて複数箇所にオプトジェネティクスの光刺激を行い、左半球にてOISIを行ったところ、各光刺激位置によって左半球V1/V2境界周辺の異なる部位に投射された神経活動を記録できた。この結果は神経活動の電気生理記録でも実証できた。次に、提案手法をTEO-TE野にも適用し、TEO-TE野間の皮質間投射パターンを調査した。その結果、TEO野における複数個所の光刺激による投射信号を、TE野にて再現性良く記録できた。以上の結果より、提案手法は広い皮質領域から未知の皮質間投射パタ-ンを同定可能であることが分かった。また、提案手法と電気生理記録を併用することによって、領野間における情報処理変換機構の解明が実現可能であることを示唆した。