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様々な脳領域からの神経入力を受け、自然な稼働状態の生体脳において、外部から与えた入力情報がどのように演算され、出力されるのかということは、いまだに不明である。そこで、本研究では、まず、無麻酔のラット個体動物を用いて、入力-出力相関が観察されやすい一次視覚野V1に焦点を当て、入力視覚刺激に対する出力応答を検討することにした。本研究では、昨年度までに、無麻酔のラットを脳固定装置に固定して、視覚刺激を提示したときの神経活動をV1より二光子励起機能的多ニューロンカルシウムイメージングをすると同時に、埋め込み電極から皮質脳波(ECoG)を記録する、実験システムのセットアップを行った。このシステムでは、ラットの様子、瞳孔位置をモニターできるようにした。この実験システムを用いた検討によって、V1野の神経細胞は、同じ視覚刺激を提示しても試行ごとに異なる応答を示すことが、昨年度の研究により、明らかとなっていた。本年度は、この試行ごとの応答のばらつきが、脳波から想定され、主に覚醒度に基づく、"脳の状態"によって変化するのかどうかを検討した。また、与える視覚刺激のコントラストを変化させたときに、脳の状態依存的な試行間ばらつきが変化するのかを検討した。この結果、試行ごとの応答のばらつきは、脳の状態によって変化し、さらに、コントラストを変えることによって、影響を受けるという傾向が観察された。以上から、実際の生体脳においては、脳の状態依存的に入力情報の演算様式の多様性を変化させ、また、入力情報が多少変わるだけで、演算様式の多様性が変化するが、多様性の変化の方向性は、脳の状態依存的に異なるということが示唆された。
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