舞台裏では、脳回路が視覚の信頼性を維持します-brain

by REVOLUSYNAPSE
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視覚の処理に関しては、脳はノイズでいっぱいです。 情報は目から脳内の多くのつながりを通って移動します。 理想的には、同じ画像が毎回同じ方法で確実に表現されますが、代わりに視覚野の異なるグループの細胞が同じシーンによって刺激される可能性があります。 では、脳はどのようにして私たちが見ているものを処理する際の忠実度を最終的に保証するのでしょうか? MITのピコワー学習記憶研究所の神経科学者のチームは、映画を見ながらマウスの脳を見て発見しました。

研究者が発見したのは、「興奮性」ニューロンのグループが画像が現れると反応し、それによって視覚野でそれらを表す一方で、2種類の「抑制性」ニューロン間の活動が舞台裏できれいに配置された回路で組み合わされて必要な信頼性を強化することです。 研究者たちは、これらのニューロンの働きのパターンを見て分析することができただけでなく、回路がどのように動作するかを学んだ後、抑制性細胞を制御して、興奮性細胞がどのように一貫して画像を表すかを直接操作しました。

「信頼性の問題は、情報処理、特に表現にとって非常に重要です。ビジョンを有効で信頼できるものにするためです」と、MITの脳認知科学部のニュートン神経科学教授であり、神経科学ジャーナル。 「私が何かを見るとき、同じニューロンが同じように発火するはずです。そうすれば、次にそれを見るたびに、それは一貫して表されます。」

研究科学者のムラト・ユルディリムと元大学院生のラジーブ・リキエが研究を主導しましたが、これには多くの技術的偉業が必要でした。 たとえば、数百の興奮性ニューロンと2つの異なる抑制性ニューロンが機能しているのを観察するには、2光子顕微鏡で異なる色のレーザー光の下で異なる色で点滅するように設計する必要がありました。 「オプトジェネティクス」と呼ばれる技術を使用して細胞を制御するには、さらに多くの遺伝子操作とレーザーカラーを追加する必要がありました。 さらに、彼らが観察していた細胞活動を理解するために、研究者たちは三者回路のコンピューターモデルを作成しました。

「複数の異なるレーザーカラーを含むこれらすべての実験要素を組み合わせて、この質問に答えることができるのはエキサイティングでした」とYildirim氏は述べています。

信頼できる表現

チームの主な観察は、マウスが同じ映画を繰り返し見たとき、興奮性細胞間の表現の信頼性は、2つの異なる抑制性ニューロンの活動レベルとともに変化したということでした。 信頼性が低い場合、パルブアルブミン発現(PV)抑制性ニューロン間の活性は高く、ソマトスタチン発現(SST)ニューロン間の活性は低かった。 信頼性が高い場合、PV活動は低く、SST活動は高かった。 彼らはまた、興奮性活動が信頼できなくなった後、SST活動がPV活動に続くことを見ました。

サー氏によると、PVニューロンは興奮性活動を抑制してゲインを制御します。 そうしないと、興奮性ニューロンは、入ってくる画像の洪水の中で飽和状態になり、追いつくことができなくなります。 しかし、このゲイン抑制は、同じセルによる同じシーンの表現の信頼性を低下させるという犠牲を払って行われるようです、と研究は示唆しています。 一方、SSTニューロンはPVニューロンの活動を阻害する可能性があります。 チームのコンピューターモデルでは、彼らは三者回路を表しており、興奮性活動が信頼できなくなったときに、PVニューロンのSSTニューロン抑制が始まることを確認できました。

チームは、光遺伝学でPVおよびSSTセルを制御することにより、このダイナミクスを直接示すことができました。 たとえば、SST活動を増やすと、信頼性の低いニューロン活動の信頼性が高まる可能性があります。 また、PVアクティビティを増やすと、PVアクティビティが存在する場合、信頼性が損なわれる可能性があります。

しかし重要なことに、彼らはまた、SSTニューロンはPVセルが混在していないと信頼性を強制できないこともわかりました。 彼らは、SST細胞とPV細胞が興奮性細胞を阻害する方法が異なるため、この協力が必要であると仮定しています。 SST細胞は、細胞体から遠くに伸びる樹状突起または「相馬」と呼ばれるとげのある巻きひげの接続または「シナプス」を介してのみ興奮性細胞活動を阻害します。 太陽電池は興奮性細胞体自体の活動を阻害します。 信頼性を向上させるための鍵は、細胞体でより多くの活動を可能にすることです。 したがって、それを行うには、SSTニューロンがPVセルによって提供される抑制を抑制しなければなりません。 一方、樹状突起の活動を抑制すると、他のニューロンとのシナプスから興奮性細胞に入るノイズが減少する可能性があります。

「応答の信頼性を調節する責任は、1つのニューロンのサブタイプだけにあるのではないことを示しています」と著者らは研究で書いています。 「代わりに、それはSSTとPVの間の協調的なダイナミクスです。 [neurons] これは、感覚処理の時間的忠実度を制御するために重要です。 SSTàPV回路の潜在的な生物物理学的機能は、シナプス入力のノイズを最小化し、体細胞でのスパイクを最大化することにより、興奮性ニューロンの信号対ノイズ比を最大化することかもしれません。」

Sur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述べました。 それらは、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る可能性があります。 たとえば、特定済の画像やシーンが重要であることに気付いた場合、私たちは自発的にそれに集中することができます。 これは、興奮性細胞活動の信頼性を高めるためにSSTニューロンに信号を送ることによって実装できます。

Sur、Yildirim、Rikhyeに加えて、この論文の他の著者はMingHuとVincentBreton-Provencherです。

国立眼病研究所、国立衛生研究所の国立生物医学画像および生物工学研究所、およびJPB財団が研究に資金を提供した。

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