覚醒に関連する皮質ネットワークは神経活動と血流動態に異なった結合を示す
覚醒関連の皮質ネットワークにおける神経活動と血流動態の差異結合
学術背景
特定の感覚入力や行動タスクがない状態でも、脳は構造化された活動パターンを生成します。この組織化された活動は覚醒状態によって調節されます。覚醒と脳皮質活動の関係は神経ネットワークの機能を理解する上で重要な意義を持ちます。先行研究によれば、覚醒レベルは神経活動および血流動態の変化に影響を与えることが示されていますが、これらの影響が異なる皮質領域および行動状態で一貫しているかは不明です。
論文出典
この論文はLisa Meyer-Baeseらによって書かれ、著者らはエモリー大学およびジョージア工科大学の生物医学工学科および生物学科に所属しています。この論文は2024年5月に《Journal of Neuroscience》誌上に発表されました。
研究の流れ
本研究は広視野電圧イメージング技術を用いて、覚醒状態が自発行動中の頭部固定マウスの皮質ネットワーク電圧および血流動態活動とどのように関連するかを調査しました。本研究には以下の重要なステップが含まれます：
動物モデルの準備とイメージング技術
電圧感受性蛍光タンパク質(VSFP)を発現するトランスジェニックマウスを使用し、広視野電圧イメージング技術でマウスの頭部を固定し覚醒状態での電圧および血流動態活動を記録しました。マウスは拘束状態に置かれ、VSFP-Butterflyセンサーを用いて蛍光イメージングを行いました。
データ収集と処理
イメージング実験では、マウスの顔面ビデオを記録して顔面運動および瞳孔直径の変化を追跡しました。解析過程では蛍光シグナルのゲイン補正によって電圧シグナルと血流動態シグナルを区別しました。各イメージング実験の時系列シグナルはフィルタリングおよびデカップリング処理を経て、ノイズおよび非生理的シグナルの影響を排除しました。
電圧イメージングと血流動態シグナルの検証
電圧および血流動態シグナルを検証するため、マウスに空気衝撃刺激を与え、右バレル皮質の応答を記録しました。空気衝撃刺激に関連するシグナルの特性は予期通りで、電圧シグナルは速い双相応答を示し、血流動態シグナルは遅い反応を示しました。これらの結果はVSFPイメージング技術が神経活動および血流動態変化を信頼性高く捉えることを示しています。
研究の主な結果
覚醒状態およびグローバル皮質シグナル
研究は、グローバル電圧シグナルと瞳孔直径の変化が有意に関連し、ピーク相関係数は約0.5であることを発見しました。一方、グローバル血流動態シグナルと瞳孔直径変化の相関係数は約0.25でした。これは脳皮質の覚醒状態が全体的な神経活動とより緊密に結合していることを示唆しています。
局所皮質活動と瞳孔直径の関係
異なる皮質領域の電圧および血流動態シグナルと瞳孔直径の関連は異なります。電圧シグナルと瞳孔直径の変化はほとんどの感覚・運動皮質領域で正の相関を示し、前頭前皮質では負の相関を示しました。一方、血流動態シグナルは感覚・運動皮質領域で正の相関を示しますが、前頭前皮質では相関が弱いです。
結論
この研究は、覚醒状態による皮質ネットワークの調節が動的であり、電圧シグナルと血流動態シグナル間の機能ネットワークが部分的にしか重ならないことを示しています。研究は異なる周波数における覚醒状態が神経活動および血流動態活動に異なる影響を与えることを明らかにし、血流動態シグナルを解釈する際には行動状態の影響を考慮する必要があることを強調しています。
研究のハイライト
技術革新：広視野電圧イメージング技術を使用し、VSFP-Butterflyセンサーと組み合わせて、電圧活動と血流動態シグナルの同時記録を初めて実現しました。
覚醒状態の複雑な影響：覚醒状態が皮質ネットワークの電圧および血流動態活動に時空間的に動的な調節を行うことを明らかにし、異なる周波数および行動状態での差異結合を示しました。
局所的な解析：異なる皮質領域の電圧および血流動態シグナルと覚醒状態の関連性を具体的に分析し、機能ネットワークのより深い理解を提供しました。
未来の方向性
今後の研究は、脳血流動態シグナルに対するデコンボリューション方法の影響をさらに探究し、より高フレームレートの行動追跡技術と組み合わせて、より微細な行動変化が皮質活動に与える影響を捕捉すべきです。また、グローバルシグナルを取り除いた後のデータ処理戦略にも注目し、神経活動と血流動態シグナルの本質的な関係をより良く理解する必要があります。 この研究は、覚醒状態が脳の機能ネットワークに与える動的な調節を理解するための新しい視点を提供し、神経イメージング研究において行動状態と周波数依存性を考慮する必要性を強調しています。