行動中のマウスの認知プロセスと運動プロセスの分離
認知と運動プロセスの分離：マウス行動研究における画期的な進展
学術的背景
動物行動の研究において、認知プロセスと運動プロセスは通常密接に絡み合っています。例えば、マウスが環境を探索する際、その顔の表情や能動的なサンプリング行動は運動だけでなく、脳内の神経活動とも密接に関連しています。しかし、長い間研究者たちは根本的な問題に直面してきました。それは、認知プロセスと運動プロセスは分離可能なのか、あるいはそれらが共通の神経メカニズムによって駆動されているのかという疑問です。もしこれらを分離できなければ、研究者は運動に関連する神経活動を誤って認知プロセスの指標と考えてしまい、神経回路機能の正しい理解に影響を与える可能性があります。
この問題を解決するために、Boston Universityの研究チームは、マウス実験を通じて認知と運動プロセスの分離性を探るための行動課題を設計しました。彼らの研究は、この分離性を評価する方法を示しただけでなく、認知と運動に関連する神経ダイナミクスを分離する新しい手法を開発しました。この研究の成果は、複雑な行動をどのように脳がサポートしているかを理解するための新しい視点を提供し、将来の神経回路機能に関する概念的および計算モデルの開発の基礎を築いています。
論文の出典
この「Separating cognitive and motor processes in the behaving mouse」と題された論文は、Munib A. Hasnain、Jaclyn E. Birnbaum、Juan Luis Ugarte Nunez、Emma K. Hartman、Chandramouli Chandrasekaran、Michael N. Economoらによって共同執筆されました。研究チームは、Boston Universityの生物医学工学科、ニューロフォトニクスセンター、システム神経科学センターなど、さまざまな部門から構成されています。論文は2024年に『Nature Neuroscience』誌に掲載されました。
研究の流れと結果
1. 行動課題の設計
研究チームは、二つの状況課題を設計し、マウスに異なる認知環境下で方向性のある舐め行動を実行させました。課題には遅延反応課題（DR課題）と水提示課題（WC課題）が含まれています。DR課題では、マウスは音のヒントを聞いた後、しばらくの遅延期間を置いてから反応する必要があります。一方、WC課題では、マウスはランダムな時間と場所で水の報酬を得ます。このデザインにより、マウスは異なる状況間で行動を切り替え、知覚判断、運動計画、状況エンコーディングなど、複数の認知プロセスを同時に含む行動を行うことが求められます。
2. 運動と神経活動の記録
マウスがタスクを実行する際の動きを捉えるために、研究チームは高速カメラを使用してマウスの舌、顎、鼻、爪の動きを記録し、これらの動きを運動エネルギー（motion energy）として計算することで定量化しました。同時に、高密度シリコンプローブを使用して、前外側運動皮質（ALM）の神経活動を記録し、認知および運動に関連する神経ダイナミクスを調査しました。
3. 光遺伝学的介入
運動皮質の役割をさらに研究するために、研究チームは特定の時間ポイントでマウスのALMまたは舌顎運動皮質（TJM1）を光遺伝学技術を使って抑制しました。その結果、これらの領域を抑制すると、マウスの運動実行と運動計画に大きな影響があることがわかり、これらの領域がタスクにおいて重要な役割を果たしていることが示されました。
4. 神経ダイナミクスの部分空間分解
研究チームは、神経活動を運動に関連する「運動ポテンシャル部分空間」と認知に関連する「運動無効部分空間」に分解する新しい部分空間分解法を開発しました。この方法により、彼らは認知と運動に関連する神経ダイナミクスが脳内で分離可能であり、異なる神経細胞集団によってコード化されていることを発見しました。
5. 認知と運動の関係
研究結果は、認知プロセスと運動プロセスが時間的に高度に関連していても、それらの神経ダイナミクスは脳内で分離可能であることを示しています。例えば、選択に関連する神経信号は「運動無効部分空間」で安定した内部表現を示しますが、運動に関連する信号は主に「運動ポテンシャル部分空間」に現れます。この分離性は、脳が複雑な行動を処理する仕組みを理解するための新しい視点を提供します。
結論と意義
この研究の主要な結論は、認知プロセスと運動プロセスの神経ダイナミクスは脳内で分離可能であり、異なる神経細胞集団によってコード化されているということです。この発見は、認知と運動プロセスが共通の神経メカニズムによって駆動されているかどうかという長年の議論を解決しただけでなく、今後の神経科学研究に新しい方法論を提供しました。部分空間分解により、研究者は特定の認知および運動プロセスに関連する神経信号をより正確に分離できるようになり、神経回路機能の理解が深まります。
研究のハイライト
- 革新的な部分空間分解法：研究チームは、認知と運動に関連する神経ダイナミクスを効果的に分離できる新しい部分空間分解法を開発しました。
- 二つの状況課題の設計：複雑な二つの状況課題を設計することにより、研究チームはマウスの中で多様な認知プロセスを模倣し、認知と運動の関係を研究するための理想的な実験プラットフォームを提供しました。
- 光遺伝学と神経記録の統合：光遺伝学と神経記録技術を組み合わせることで、研究チームは運動皮質が認知および運動プロセスにおいて果たす役割を深く明らかにしました。
- 神経ダイナミクスの分離可能性：この研究は、初めて認知と運動の神経ダイナミクスが脳内で分離可能であることを証明し、この発見は今後の神経科学研究に重要な理論的基盤を提供します。
その他の有益な情報
研究チームはまた、一部の認知プロセス（例：選択）は脳内での表象が安定かつ持続的である一方で、他のプロセス（例：緊急性）は運動と密接に関連していることを発見しました。この発見は、脳が異なる種類の認知タスクをどのように処理しているかをさらに明らかにし、今後の研究に新しい方向性を提供します。さらに、研究チームの手法は他の行動タスクや種にも広く適用可能であり、神経科学分野の幅広い研究に新しいツールを提供します。
この論文は、認知と運動プロセスを脳がどのように処理しているかを理解するための新しい視点を提供するだけでなく、今後の神経科学研究に重要な方法論を提供しました。革新的な実験デザインとデータ分析手法を通じて、研究チームはこの分野における長期的な議論を解決し、未来の研究に新たな道を開きました。