研究者たちは、大脳新皮質と視床という 2 つの脳領域が連携して、動物が環境から期待するものと実際の出来事との間の矛盾を検出する仕組みを発見しました。これらの予測エラーは、予期しない感覚情報を選択的にブーストすることで発生します。これらの発見は、脳内の予測処理に関する理解を深め、自閉症スペクトラム障害 (ASD) や統合失調症スペクトラム障害 (SSD) で脳回路がどのように変化するかについての洞察を提供する可能性があります。
本日発表された研究は、 自然、 ロンドン大学ロンドン校のセインズベリー・ウェルカム・センターの科学者が仮想現実環境でマウスを研究し、脳内の予測誤差信号の性質とそれが発生するメカニズムの両方の理解に一歩近づいた方法を概説します。
私たちの脳は、周囲の世界で何が起こるか、そして私たちの行動の結果を常に予測しています。これらの予測が間違っていると、さまざまな脳領域が強く活性化されます。このような予測エラー信号は、私たちが間違いから学び、予測を更新するのに役立ちます。しかし、その重要性にもかかわらず、脳内でのその実行を担う神経回路のメカニズムについては、驚くほどほとんどわかっていません。」
SWCのグループリーダーであり、論文の責任著者であるSonja Hofer教授
脳が予期された出来事と予期せぬ出来事をどのように処理するかを研究するため、研究者らはマウスを仮想現実環境に置き、マウスが見慣れた通路を進んで報酬にたどり着けるようにした。この仮想環境により、研究チームは視覚入力を正確に制御し、壁に予期せぬ画像を表示することが可能になった。2光子カルシウムイメージングと呼ばれる技術を使用することで、研究者らは一次視覚皮質の多数の個々のニューロンの神経活動を記録することができた。一次視覚皮質は、大脳新皮質で最初に目から視覚情報を受け取る領域である。
「これまでの理論では、予測誤差信号は実際の視覚入力が期待とどう違うかをエンコードするものとされていましたが、驚いたことに、私たちはこれを裏付ける実験的証拠を見つけられませんでした。その代わりに、私たちは、脳が予期せぬ視覚入力を最も強く好むニューロンの反応を高めることを発見しました。私たちが観察する誤差信号は、視覚情報の選択的増幅の結果です。これは、私たちの脳が予測と実際の入力の食い違いを検出し、予期せぬ出来事をより顕著にすることを意味しています」と、SWCのホーファーおよびムシック・フローゲル研究室の上級研究員で、この研究の筆頭著者である古立翔平博士は説明しました。
脳が視覚皮質における予期せぬ感覚入力の増幅をどのように生成するかを理解するために、研究チームはオプトジェネティクスと呼ばれる技術を使用して、さまざまなニューロン群を不活性化または活性化しました。研究チームは、視覚皮質で予測誤差信号を引き起こすために重要なニューロン群を 2 つ発見しました。それは、V1 の血管作動性腸管ポリペプチド (VIP) 発現抑制性介在ニューロンと、多くの新皮質および皮質下領域からの情報を統合し、V1 と強く結びついている視床の視床枕と呼ばれる脳領域です。しかし、研究者らは、この 2 つのニューロン群が意外な方法で相互作用することを発見しました。
「神経科学では、一度に 1 つの脳領域または経路の研究に重点を置くことがよくあります。しかし、分子生物学のバックグラウンドを持つ私は、異なる分子経路が相乗的に相互作用して、柔軟で状況に応じた制御を可能にする方法に魅了されました。VIP ニューロンと視床枕の間で、神経回路のレベルで協力が起こっている可能性をテストすることにしました」と古立博士は説明しました。
そして実際、古立博士の研究により、VIP ニューロンと視床枕が相乗的に作用することが明らかになりました。VIP ニューロンは配電盤のように機能します。VIP ニューロンがオフのときは視床枕が大脳新皮質の活動を抑制しますが、VIP ニューロンがオンのときは視床枕が大脳新皮質の感覚反応を強力かつ選択的に高めることができます。このように、これら 2 つの経路の協調的な相互作用により、視覚皮質の感覚予測誤差信号が媒介されます。
研究チームの次のステップは、動物の予測が実際の感覚入力と脳のどこでどのように比較され、感覚予測誤差が計算されるか、また予測誤差信号がどのように学習を促進するかを探ることです。また、研究チームは、この発見が ASD と SSD の理解にどのように役立つかを探っています。
「ASD と SSD はどちらも予測誤差システムの不均衡によって説明できると考えられています。私たちは現在、この発見を ASD と SSD モデル動物に適用し、これらの障害の根底にある神経回路のメカニズムを研究しようとしています」と古立博士は説明した。
この研究は、ギャツビー慈善財団およびウェルカムからのセインズベリー・ウェルカム・センター・コア助成金（219627/Z/19/Z および 090843/F/09/Z）、ウェルカム研究者賞（219561/Z/19/Z）、ギャツビー慈善財団（GAT3212 および GAT3361）、ウェルカム・トラスト（090843/E/09/Z および 217211/Z/19/Z）、欧州研究会議（HigherVision 337797、NeuroV1sion 616509）、SNSF（31003A 169525）、Biozentrum コア基金（バーゼル大学）の資金提供を受けて実施されました。
ソース：
ジャーナル参照:
古立 誠 その他. (2024). 感覚予測エラーに対する協調的な視床皮質回路メカニズム。 自然。 doi.org/10.1038/s41586-024-07851-w。
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#神経科学者が予期せぬ感覚入力に対する脳の反応を解読
2024-08-29 00:56:00