自閉症モデルラットにおける神経細胞の活動亢進と広範な調整が音声処理の変化に関連している

自閉症スペクトラム障害を持つ人々は一般に感覚情報を処理することが困難で、学校、空港、レストランなどの賑やかで明るい、または騒々しい環境ではストレスを感じたり、苦痛にさえ感じることがあります。音声処理の変化の神経学的原因は複雑であり、研究者は自閉症の人々の生活をより良いものにするために、それらをより深く理解することに興味を持っています。

行動試験、コンピューターモデル、ニューロン活動の電気生理学的記録を組み合わせた研究で、研究者らは、聴覚皮質のニューロンの活動亢進と、異常に広範囲の周波数に対するこれらのニューロンの反応が、この変化に寄与していることを発見した。 音 ラットモデルでの処理。研究というのは、 出版された 日記で PLOS 生物学。

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の分子・統合生理学教授ベンジャミン・アウアーバッハ氏は、「私たちが十分に注目されていないと考えていたことの一つは、環境内のさまざまな特徴を区別できるという感覚的識別の考え方でした」と語る。

「これは非常に重要です。特に、多くの競合する情報が同時に入ってくる現実世界の状況では、その情報を解析して理解できる必要があります。機能の識別が低下していると、複雑または乱雑な感覚環境が非常に圧倒される可能性があります。」

脆弱 X 症候群は、FMR1 と呼ばれる遺伝子が不活性化されている、ヒトの自閉症の遺伝性の主な原因です。したがって、実験室環境で自閉症を表現するために、研究者らは、FMR1遺伝子を無効にしたラットを使用しました。 ノックアウト ネズミ。

アウアーバッハ氏と神経科学の大学院生でこの研究の筆頭著者であるウォーカー・ゴーティエ氏は、特に周波数弁別、つまり脳が異なる音のピッチの違いをどのように区別できるかに注目することにした。

FMR1 ノックアウト ラットは、FMR1 遺伝子がまだ有効になっているラット (野生型ラットと呼ばれる) と比較して、2 つの周波数をどの程度区別できるかを調べる一連の行動試験に参加しました。ある範囲の周波数をラットに聞かせたが、ラットは特定の標的周波数にのみ反応し、他の周波数音への反応を抑制するように訓練された。

再生された音が目標周波数から非常に離れていた場合、すべてのラットは同様の行動をとり、どちらのグループも音に反応しませんでした。同様に、再生されたトーンがターゲット周波数に非常に近い場合、両方のグループのラットはそのトーンが正しいものであると誤認識しました。中間音域、つまり再生された音がターゲット周波数から 1/3 から 2/3 オクターブ離れている場合にのみ、2 つのグループの動作が分岐しました。 FMR1ノックアウトラットは、再生されたトーンが実際にはターゲットトーンではないことを識別するのがはるかに困難でした。

なぜこれが起こったのかをさらに調査するために、研究者らは、聴覚情報の処理に不可欠な2つの重要な脳ハブである聴覚皮質と下丘の活動を記録した。下丘は両方のグループのラットで同様に動作しましたが、下丘の活動は 聴覚皮質 違いました。

「ノックアウトラットは、音が鳴っていないときにどれだけニューロンが発火するかという自発的活動の増加を示します」とゴーティエ氏は述べた。 「音を鳴らすと、ノックアウトラットでもその音に対するより大きな反応が見られましたが、それは皮質のみでした。」

周波数を区別することは聴覚システムの重要な部分であり、異なる聴覚ニューロンは異なる周波数に調整されます。通常、特定のニューロンは狭い範囲の周波数にさらされた場合にのみ反応しますが、研究者らは、FMR1ノックアウトラットの聴覚皮質ニューロンが、代わりに予想外に広い範囲に反応することを発見しました。これは、周波数を区別するのがより困難であった理由を説明しています。

「皮質の同調がより広範になれば、より多くのニューロンがより多くの音に反応することになる」とゴーティエ氏は言う。 「2 つの音が近くにある場合、人は 2 つの音の違いを区別できないのは当然です。一般に、ニューロンはより多くの音に反応するからです。」

この皮質の活動亢進がFMR1ラットの音の区別の困難の原因であるかどうかをテストするために、アウアーバッハとゴーティエは皮質ニューロン活動の測定値を使用して脳活動のコンピューターモデルを作成した。次に、このモデルを使用して、 頻度 彼らがネズミを使って行った識別実験。皮質ニューロンがFMR1ノックアウトラットのニューロンと同じ広範囲の周波数に反応するようにモデル脳を調整した場合、コンピュータはFMR1ノックアウトラットが実験で行ったように動作するでしょうか?

テストすると、モデルは実際に行動実験でラットが行ったように動作し、観察された音声処理の変化がニューロンの広範な調整に関連していることが裏付けられました。

一般に、この研究は、脳が音に対する感受性と音を区別する能力のバランスをとる必要があることを示唆しています。 FXS では、感度が非常に重視されるため、音の識別が犠牲になります。

これは、音に反応するように訓練された野生型ラットとFMR1ノックアウトラットに音を鳴らすという、今回の開発につながった以前の研究の結果も説明している。 FMR1ノックアウトラットは、野生型ラットよりも早く反応した。この結果は、彼らがその音を聞いていることにより自信を持っていることを示唆する結果であり、これは潜在的に野生型ラットよりも音が大きく感じられたためであると考えられる。これは、広帯域幅のサウンド、つまり複数のサウンド周波数が同時に再生される場合に特に当てはまります。

「私たちの最近の研究結果は、その結果を実際に説明することができます。なぜなら、音の帯域幅を増やすにつれてニューロンがより広範囲に調整されると、野生型動物と比較してFMR1ノックアウト動物の脳でより多くのニューロンが動員されることになるからです」とアウアーバッハ氏は述べた。 「活性化される細胞の数が増えるため、音が大きく聞こえる可能性があります。」

研究者らは今後、これらの結果がASDと相関する他の遺伝的要因にも当てはまるかどうかを判断する研究を実施する予定だ。彼らはまた、大脳皮質を詳しく調べて、神経レベルで音の感度が高まる方向への変化の原因をさらに調査したいと考えています。