チリのブラシテールマウス（Octodon degus）における感覚処理：上丘ニューロンの視覚受容野特性を研究するための新たな昼行性前駆モデル

2025-02-11 Tue
学術的背景視覚システムは、動物が外部環境を感知するための重要なシステムであり、その発達と機能の研究は哺乳類の感知メカニズムを理解する上で重要な意義を持っています。しかしながら、伝統的な研究は主に夜行性または薄明活動性の実験室齧歯類、例えばマウス、ラット、ハムスターに依存してきました。これらの動物の視覚システムは比較的単純で、人間の視覚システムとは大きな違いがあります。研究範囲を広げ、人間の視覚システムに近い動物モデルを見つけるために、研究者はチリデグー（Octodon degus）に着目しました。この動物は昼行性で早熟性を持ち、網膜が錐体細胞に富み、視覚システムの発達が比較的健全です。そのため、チリデグーは視覚システムの発達と機能を研究する理想的なモデルとなる可能性があります。
本研究の主な目的は、チリデグーの上丘（Superior Colliculus, SC）視覚ニューロンの受容野（Receptive Field, RF）特性を探求し、伝統的な夜行性齧歯類と比較することで、その視覚システムの独特な点を明らかにすることです。この比較を通じて、昼行性哺乳類の視覚システムを理解するための新たな知見を提供することを目指しています。
論文の出典本論文はNatalia I. Márquezらによる共同研究であり、チリ大学生物学科、マサチューセッツ大学アマースト校などの機関に所属する著者チームが執筆しました。論文は2025年に『Journal of Neurophysiology』に掲載されました。
研究の流れ1. 実験対象と準備研究では13匹のチリデグーを使用し、これらの動物は特定の条件下で飼育され、12時間の明期/12時間の暗期の光周期を維持し、十分な餌と水が与えられました。すべての実験は動物倫理基準に従い、関連機関の承認を得て行われました。
2. 解剖学とニューロントラッキング研究ではまず、網膜投射を標識するためにニューロントラッキング技術（Cholera Toxin Subunit B, CTB）を利用し、網膜と上丘の間の接続を観察しました。実験では4匹の動物に網膜内にCTBを注射し、5～7日後に灌流、固定、脳組織切片を行い、網膜投射の分布を確認しました。
3. 生体内電気生理学的記録研究では、電極記録技術を用いて上丘ニューロンの活動をモニタリングしました。実験では9匹の動物を麻酔し、立体定位装置に固定し、微小電極を用いて上丘ニューロンの電気活動を記録しました。実験では4種類の視覚刺激が用いられました：移動する白い正方形、正弦波グレーティング、拡大する黒い円（接近する物体をシミュレート）、そして静止した黒い円です。
4. データ分析研究では、クラスタリングアルゴリズムを用いてニューロンの活動をソーティングし、ガウスフィッティングなどの手法を用いて受容野の大きさと形状を分析しました。研究者はまた、Naka-Rushton関数を用いてニューロンのコントラスト応答を分析し、フーリエ変換を用いてニューロンの空間周波数変調を解析しました。
主な結果1. 網膜投射と上丘の層構造研究により、チリデグーの上丘の層構造が確認され、網膜は主に上丘の表層（sgs層とsz層）に投射し、深層（sgi層とsgp層）にはほとんど網膜入力がないことがわかりました。これは以前の齧歯類での発見と一致しています。
2. 受容野の大きさと形状研究では、チリデグーの上丘ニューロンの受容野の大きさが深さに応じて増加し、深層のニューロンはより水平方向に広がる傾向があることがわかりました。夜行性齧歯類と比較して、チリデグーの受容野はより小さく、これはその高い視覚鋭敏度と関連している可能性があります。
3. 空間周波数チューニング研究では、チリデグーの上丘ニューロンが空間周波数に広くチューニングされており、一部のニューロンは高周波刺激（0.24 cycles/degree）に対して顕著な選好性を示すことがわかりました。この結果は、チリデグーの視覚システムが高い空間分解能を持っていることを示唆しています。
4. コントラスト応答研究では、約半数のニューロンがコントラストに対して線形応答を示すことが明らかになりました。これは夜行性齧歯類では比較的珍しい現象であり、チリデグーの視覚システムが昼間活動に適していることをさらに裏付けています。
5. 接近物体の応答研究では、上丘ニューロンが接近物体に対する応答と静止物体に対する応答に大きな違いがあることがわかりました。ニューロンは接近物体が現れるとより強い活動を示しました。これは、チリデグーの上丘が急速に接近する物体（例えば捕食者）の検出と応答に関与している可能性を示唆しています。
結論本研究は初めてチリデグーの上丘ニューロンの視覚特性を包括的に明らかにし、その視覚システムが受容野の大きさ、空間周波数チューニング、コントラスト応答などの点で夜行性齧歯類と著しい違いがあることを証明しました。これらの発見は、チリデグーが昼行性視覚システムを研究するために適したモデルであり、特に人間の視覚システムに似た視覚知覚メカニズムを探求する上で重要な価値を持つことを示しています。
研究のハイライト新たな動物モデル：チリデグーは昼行性で早熟性を持つ齧歯類として、視覚システムの研究に新たな視点を提供します。
包括的な電気生理学的分析：研究では複数の視覚刺激と詳細なデータ分析を通じて、チリデグーの上丘ニューロンの視覚特性を包括的に明らかにしました。
潜在的な研究応用：チリデグーの視覚システムは人間のそれに似ており、今後は視覚システムの発達と機能のメカニズムを探るためにさらに活用される可能性があります。
他の価値ある情報研究では、将来の研究の方向性として、チリデグーの視覚システムの発達過程や視覚経験がその視覚システムの成熟に及ぼす影響を探ることが提案されています。これらの研究は、視覚システム発達の普遍的ルールを理解するための新たな知見を提供する可能性があります。