見たものを処理する脳の活動

脳は最終的に、見たものをどのように処理するのでしょうか？
映像を見ると、「興奮性」ニューロン群が反応し、視覚野に映像を表現します。また裏では2種類の「抑制性」ニューロンが活動し回路を形成、必要な信頼性を確保していました。

What the researchers discovered is that while groups of “excitatory” neurons respond when images appear, thereby representing them in the visual cortex, activity among two types of “inhibitory” neurons combines in a neatly arranged circuit behind the scenes to enforce the needed reliability.

参照元：https://picower.mit.edu/news/behind-scenes-brain-circuit-ensures-vision-remains-reliable
– ピカワー研究所 Picower Institute. September 8, 2021 –

視覚の処理に関しては、脳内はノイズだらけです。

情報は、目から脳内の多くの結合部を通って移動します。

理想的には、同じ画像が毎回同じように確実に表現されることが望ましいですが、その代わりに、視覚野の異なる細胞群が同じシーンで刺激を受けることがあります。

では、脳は最終的にどのようにして、見たものを忠実に処理するのでしょうか？

マサチューセッツ工科大学（MIT）のピカワー学習記憶研究所の神経科学者チームは、映画を見ているマウスの脳を観察することでそれを発見しました。

その結果、映像が現れると「興奮性」のニューロン群が反応し、視覚野に映像を表現する一方で、2種類の「抑制性」ニューロンの活動が、裏で整然とした回路を形成し、必要な信頼性を確保していることがわかったのです。

研究者たちは、これらの神経細胞の活動パターンを見て分析することができただけでなく、回路がどのように機能しているかを理解した上で、抑制性細胞をコントロールして、一貫して興奮性細胞が画像を表現する方法を直接操作することができました。

マサチューセッツ工科大学（MIT）脳・認知科学科のニュートン教授であり、Journal of Neuroscience誌に掲載された新しい研究の上席著者であるMriganka Sur氏は話します。

「信頼性の問題は、情報処理、特に視覚を有効かつ信頼性の高いものにするための表現に非常に重要です。私が何かを見たとき、同じニューロンが同じように発火していなければなりません。そうすれば、次に見るときも、毎回見るときも、一貫して表現されるのです。」

研究員のMurat Yildirimと元大学院生のRajeev Rikhye氏が中心となって行ったこの研究は、数々の技術的な偉業を必要としました。

例えば、数百個の興奮性ニューロンと2種類の抑制性ニューロンの働きを観察するためには、2光子顕微鏡で異なる色のレーザー光を照射して、ニューロンが異なる色に点滅するように設計する必要がありました。

さらに、「オプトジェネティクス」と呼ばれる技術で細胞を制御するには、遺伝子操作とレーザーの色をさらに追加する必要がありました。

さらに、観察された細胞活動を理解するために、研究者たちは3つの回路のコンピューターモデルを作成しました。

Yildirim氏は話します。

「複数の異なるレーザー色を含む、これらすべての実験要素を組み合わせて、この疑問に答えることができたのは、とてもエキサイティングでした。」

信頼性の高い表現

研究チームは、マウスが同じ映画を繰り返し見ていると、興奮性細胞の表現の信頼性が、2種類の抑制性ニューロンの活動レベルに応じて変化することを発見しました。

信頼性が低いときは、パルバルブミン（PV）を発現している抑制性ニューロンの活動が高く、ソマトスタチン（SST）を発現しているニューロンの活動は低かった。

信頼性が高いときは、PVの活動が低く、SSTの活動が高い。

また、興奮性の活動が信頼性を失った後、SSTの活動がPVの活動に追随することも確認されました。

PVニューロンは、興奮性の活動を抑制して利得をコントロールしているとSur氏は言います。

そうしないと、興奮性ニューロンが画像の洪水の中で飽和してしまい、追いつけなくなってしまうからです。

しかし、この利得の抑制は、同じ細胞による同じシーンの表現の信頼性を低下させるという代償を伴うようです。

一方、SSTニューロンは、PVニューロンの活動を抑制することができます。

研究チームが作成したコンピューターモデルでは、この3つの回路が表現されており、SSTニューロンがPVニューロンを抑制するのは、興奮性の活動が信頼できなくなったときに起こることがわかりました。

研究チームは、PV細胞とSST細胞を光遺伝学的に制御することで、このダイナミクスを直接示すことができました。

例えば、SSTの活動を高めると、信頼性の低い神経細胞の活動をより信頼性の高いものにすることができました。

例えば、SSTの活動を高めると、信頼性の低いニューロンの活動をより信頼性の高いものにすることができ、PVの活動を高めると、信頼性があればそれを台無しにすることができます。

しかし、重要なことは、SSTニューロンが信頼性を確保するには、PV細胞が混ざっていなければならないということです。

研究チームは、SST細胞とPV細胞が興奮性細胞を抑制する方法が異なるため、このような協力関係が必要になるのではないかと考えています。

SST細胞は、細胞体（ソーマ）から遠く離れた場所にある樹状突起と呼ばれるトゲトゲした枝の「シナプス」と呼ばれる結合によってのみ、興奮性細胞の活動を抑制します。

PV細胞は、興奮性細胞本体の活動を抑制します。

信頼性を高めるためには、細胞体の活動をより活発にすることが重要です。

そのためには、SSTニューロンはPV細胞の抑制を抑制する必要があります。

一方、樹状突起の活動を抑制することで、他の神経細胞とのシナプスから興奮性細胞に入ってくるノイズを減らすことができるかもしれません。

今回の研究で著者らはそれぞれ話します。

「反応の信頼性を調節する責任は、1つの神経細胞サブタイプだけにあるのではないことが明らかになりました。」

「感覚処理の時間的忠実度を制御するために重要なのは、SSTとPV（ニューロン）の協調的なダイナミクスです。」

「SSTàPV回路の生物物理学的な機能としては、シナプス入力のノイズを最小化し、ソマでのスパイクを最大化することで、興奮性ニューロンのS/N比を最大化することが考えられます。」

Sur氏は、SSTニューロンの活動は、この回路内からの自動フィードバックによって変調されるだけではないと指摘します。

他の脳領域からの「トップダウン」入力によっても制御されている可能性があるそうです。

例えば、ある特定の画像やシーンが重要であると気づけば、私たちはその画像やシーンに自発的に集中することができます。

そのためには、SSTニューロンに信号を送り、興奮性細胞の活動をより確実なものにする必要があるかもしれません。

本論文の著者は、Sur氏、Yildirim氏、Rikhye氏に加えて、Ming Hu氏、Vincent Breton-Provencher氏です。

本研究は、米国国立衛生研究所のNational Eye Institute、The National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering、およびJPB Foundationから資金提供を受けています。