大脳基底核の最大出力核:黒質網状突起からの「脳の接続を正確に示す地図」

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大脳基底核の最大出力核:黒質網状突起からの「脳の接続を正確に示す地図」

カリフォルニア大学らの共同研究チームは、大脳基底核の最大の出力核である黒質網状突起(SNR)からの脳のつながりを正確に示す地図を作成しました。
大脳基底核につながる領域の構造の詳細と意外な影響力が明らかになりました。

The cluster of neurons known as the basal ganglia is a central hub for regulating a vast array of routine motor and behavior functions. But when signaling in the basal ganglia is weakened or broken, debilitating movement and psychiatric disorders can emerge, including Parkinson’s disease, Tourette’s syndrome, attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) and obsessive-compulsive disorder.

参照元:https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/new-blueprint-of-brain-connections-reveals-extensive-reach-of-central-regulator
– カリフォルニア大学サンディエゴ校 University of California San Diego. April 05, 2021 –

コーヒーを入れる、散歩をする、近所の人に挨拶をするなど、私たちが日常的に行っている何千もの活動は、頭蓋骨の中央付近にある古代の脳構造の集合体によって可能になっている。

大脳基底核と呼ばれるニューロン群は、日常的な運動や行動のさまざまな機能を制御する中心的な役割を果たしています。

しかし、大脳基底核のシグナル伝達が弱まったり、途絶えたりすると、パーキンソン病、トゥレット症候群、注意欠陥多動性障害(ADHD)、強迫性障害など、衰弱した運動障害や精神障害が現れることがあります。

大脳基底核は、行動を制御する上で中心的な役割を果たしているにもかかわらず、大脳基底核から他の脳領域へと情報が流れる具体的で詳細な経路は、これまであまり明らかにされていませんでした。

今回、カリフォルニア大学サンディエゴ校、コロンビア大学ザッカーマン研究所などの研究者らは、大脳基底核の最大の出力核である黒質網状突起(SNR)からの脳のつながりを正確に示す地図を作成しました。

この研究成果は、大脳基底核の最大の出力核である黒質パーズ・レティキュラータ(SNr)と呼ばれる領域からの脳内結合を正確に地図化したもので、その結果、大脳基底核につながる領域の構造の詳細と意外な影響力が明らかになりました。

本研究成果は、カリフォルニア大学サンディエゴ校のDavid Kleinfeld教授の神経物理学研究室およびZuckerman研究所の主任研究員であるRui Costa氏の研究室で行われたもので、2021年4月5日付のNeuron誌に掲載されました。

本研究により、運動系の階層における大脳基底核の位置について、新たな理解が得られました。

大脳基底核に関連するパーキンソン病やその他の疾患に介入するための新たな道を開く可能性があると考えられます。

McElvain研究員は話します。

「詳細な回路図を手に入れたことで、各経路が伝達する特定の情報、この情報が下流のニューロンにどのように影響して運動を制御するか、各出力経路の機能障害が大脳基底核疾患の多様な症状にどのようにつながるかを特定する研究を計画することができます。」

研究チームは、NIHのBrain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies® (BRAIN) Initiativeの支援を受け、遺伝学、ウイルス追跡、全脳解剖の自動顕微鏡撮影、画像処理などの技術を組み合わせた最新の神経科学ツールセットを適用して、マウスで働く新しい青写真を開発しました。

その結果、接続の幅について驚くべき新しい知見が得られました。

NIHのBRAIN InitiativeのディレクターであるJohn J. Ngai氏は話します。

「今回の結果は、BRAIN Initiativeの支援を受けた研究者が、最新の脳マッピングツールを使って、脳の回路の接続がどのように構成されているかについての理解を根本的に変えようとしている一例です。」

これまでの研究では、大脳基底核の構造は、出力された突起が入力された構造に戻るという閉ループに支配されていることが強調されていました。

今回の研究では、SNrが運動・行動システムの下層部にまで情報を発信していることが明らかになりました。

これには、脊髄に直接接続する脳幹領域や、少数の接続を介して筋肉を制御する運動核などが含まれます。

生物科学部門(神経生物学部門)および物理科学部門(物理学科)の教授であるKleinfeld教授は話します。

「McElvain博士が導いた新しい発見は、運動制御に関する重要な教訓を与えてくれます。脳は、自動運転車の「ニューラルネットワーク」のような命令の階層によって運動を制御しているのではなく、幹部の計画者に情報を与えながら運動出力を指示する中間管理の仕組みによって制御しているのです。」

驚くべきことに、研究者らによると、運動システムの低レベルに投射するSNrニューロンは、分岐した軸索を持ち、同時に高次の制御や学習を担当する脳領域に投射しているそうです。

このように、今回明らかになったSNrニューロンの結合性は、脳の高次から低次までの操作を根本的に結びつけるものです。

コロンビア大学ヴェーゲロス医科大学の神経科学および神経学の教授であり、ザッカーマン研究所のディレクター兼最高経営責任者であるコスタ氏は話します。

「大脳基底核の出力ニューロンが、特定の下流の脳核に投射するだけでなく、この情報を高次の運動中枢に伝達するという事実は、脳が特定の状況下でどの動作を行うべきかを選択する方法や、将来行うべき動作を学習する方法に影響を与えます。」

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