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高精度の配線によって実現される神経回路演算 ~人工知能に実装されていない新たな脳内アルゴリズムの発見~ 研究成果

掲載日:2020年2月13日

 大学院薬学系研究科の石川智愛大学院生、池谷裕二教授らは海馬ニューロンが受けるシナプス入力を大規模に可視化することで、近傍のシナプスが特定の順番で反復入力(シークエンス入力)を受けることを発見しました。本研究成果は2020年2月12日付でScience Advances誌(オンライン版)に掲載されました。

発表概要

 脳は多数のニューロンにより構成され、さまざまな情報はニューロンの組み合わせとその活動パターンでコードされると考えられています。こうした活動は発火シークエンスとして知られ、記憶や学習を始めとする高次機能の発揮に不可欠であると考えられていますが、シナプスレベルでどのように伝達されるのかに関しては明らかになっていませんでした。
今回、薬品作用学教室では、当研究室で開発した大規模スパインイメージング法をさらに改良し、発火シークエンスが高頻度に観察されるsharp wave rippleと呼ばれる脳波の発生時のシナプス入力を大規模に可視化しました。その結果、sharp wave ripple発生時には特定のスパインが特定の順番で入力を受けるシークエンス入力の存在を発見しました。さらに、シークエンス入力を受けるスパインは空間的に近接した位置に存在することも明らかにしました。
 本研究は、「シークエンス入力という情報演算の最小基本単位により、ニューロンの発火タイミングを制御する」という新たな情報処理アルゴリズムを提示するものです。今後、シナプス入力の時空間パターンという観点から発火シークエンスの制御機構に迫ることで、脳高次機能の解明につながると期待されます。
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図1. 海馬ニューロンでは、sharp wave rippleの発生時に近傍のスパインが特定の順番で反復入力を受ける
海馬で生じる発火シークエンスは下流のニューロンにシークエンス入力として送られる。シークエンス入力は近傍のスパインに収束し、細胞体に向かう側(IN)、または離れる側(OUT)の方向性を持つ。近傍のスパインへの同期入力や方向性を有するシナプス入力など、シナプス入力の時空間パターンによって、細胞体の活性化レベルが変化することが知られている。



図2. シークエンス入力は近傍のスパインに収束する
(A)実験の模式図。セルアタッチ記録と局所場電位の同時記録により対象とするニューロンがSWに参加する否かを判断し(左)、その後ホールセルモードに移行することで、カルシウム蛍光指示薬をニューロンに充填する(右)。(B)海馬CA1野のニューロンから観察されたシークエンス入力とその拡大図(左)。シークエンス入力は一部の樹状突起上の近傍のスパインに収束する。

論文情報

Ishikawa, T. Ikegaya, Y. (石川 智愛、池谷 裕二), "Locally Sequential Synaptic Reactivation During Hippocampal Ripples," Science Advances: 2020年2月12日, doi:10.1126/sciadv.aay1492.
論文へのリンク (掲載誌別ウィンドウで開く)

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