睡眠時における視覚野神経活動の網羅的可視化による大脳皮質情報処理メカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 21K20681
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0704:神経科学、ブレインサイエンスおよびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 北島 奈美 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 特任研究員 (20908818)
• 研究期間 (年度): 2021-08-30 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: 睡眠 / 大脳皮質 / 視覚野 / 情報処理 / イメージング / 神経回路

研究開始時の研究の概要

本研究は、睡眠時の視覚野神経活動がどのような情報をどのように表現しているかを明らかにすることにより、大脳皮質における情報処理メカニズムを解明することを目的とする。大脳皮質神経細胞は、外界からの情報入力のない睡眠時においても自発的な活動を示す。本研究では、マウス視覚野において、カルシウムイメージングを用いて、睡眠時の神経活動の時空間分布を網羅的に捉え、睡眠時神経活動がどのような情報表現を行っているかを明らかにする。本研究により、記憶・学習を含む様々な脳機能における大脳皮質神経活動の役割解明につながることが期待される。

研究実績の概要

睡眠時における大脳皮質の神経活動は、外界からの情報入力を受けていないが、記憶や学習に関与することが知られており、覚醒時と同様に、情報処理に関与すると考えられている。そこで本研究では、大脳皮質視覚野における神経活動が睡眠時にどのような情報処理を行っているかを明らかにすることにより、大脳皮質における情報処理メカニズムを解明することを目的とする。これまでに、大脳皮質神経細胞に蛍光カルシウムインジケータを発現させたトランスジェニックマウスを用いて、生理的な睡眠覚醒状態における神経活動をwide-field顕微鏡下で測定した。これにより、レム睡眠・ノンレム睡眠・覚醒の三つの状態における領野間の機能的結合性を推定した。さらに、二光子励起顕微鏡を用いて一次視覚野の神経細胞の活動を測定したところ、睡眠覚醒の状態によって個々の神経細胞の活動が変化することが示唆された。当該年度では、睡眠時の自発活動が視覚情報処理を行っているか検証するため、二光子励起顕微鏡下にて、覚醒したマウスに対しさまざまな視覚刺激を行い、そのときの一次視覚野における神経活動を計測した。これにより、細胞レベルの空間解像度で、受容野の分布や各細胞の方位選択性を推定した。視覚応答を示す神経細胞の一部は、睡眠時にも自発的に活動していた。今後は、睡眠時の自発活動と覚醒時の視覚応答の活動パターンを比較解析し、睡眠時神経活動がどのような情報処理に関与しているか調査する。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の申請計画に基づき、睡眠時神経活動が情報処理に関与しているか検証するため、二光子励起顕微鏡を用いて、覚醒時のマウスに対して視覚刺激を行ったときの一次視覚野における神経活動を計測した。

今後の研究の推進方策

今後は、当初の申請計画に基づき、一次視覚野および高次視覚野において、視覚刺激を行ったときの神経活動と睡眠時の自発活動を計測し、各領野において両者の活動を比較解析する。これにより、視覚野における睡眠時神経活動が覚醒時と同様に視覚情報処理に関与しているか検証する。