視覚および運動プロセス中の猿の内側前頭側頭領域における混合選択性

生化学 生命科学 細胞生物学
つかみ 物体のコーディング アクションの観察 ミラーニューロン

サル前内頂葉領域の視覚および運動過程における混合選択性に関する研究報告

研究背景

近年、前内頂葉領域（anterior intraparietal area、AIP）は神経科学の分野で大きな注目を集めています。AIPは物体の物理的属性や他人が観察する行動に関する情報、そして前頭葉皮質からの運動信号や高次情報など、多くの視覚および体性感覚情報の集約点と考えられています。しかし、この多モーダルなエンコーディングの基本原理については、特に様々なタスクや条件下でAIP神経細胞が情報をどのようにエンコードしているかについて、まだ明らかになっていません。

従来の見解では、AIP内の神経細胞は運動ニューロン（motor neurons）、視覚ニューロン（visual neurons）、規範ニューロン（canonical neurons）、そしてミラーニューロン（mirror neurons）に分類されるとされています。これらの神経細胞はそれぞれ、物体や行動の純粋な運動、純粋な視覚、または視覚と運動情報をエンコードします。しかし、これらの研究は大部分が単一のタスクに集中しており、AIPにおける多モーダルなエンコーディングの出現方法に対する理解が不足しています。

論文の出典

本論文「Mixed Selectivity in Monkey Anterior Intraparietal Area During Visual and Motor Processes」は、Monica Maranesi、Marco Lanzilotto、Edoardo Arcuri、そしてLuca Boniniによって執筆され、イタリアのパルマ大学の医学・外科系に所属しています。この論文は学術誌『Progress in Neurobiology』に掲載され、2024年4月10日にオンラインで公開されました。

研究プロセス

AIPにおける多モーダルなエンコーディングの基本原理を探るために、研究チームは2匹のサルを対象に単一神経細胞活動の慢性的な記録実験を行いました。これらの実験には以下のようなタスクおよび条件が含まれます： 1. 視-運動タスク（VMT）：サルは物体を把持するか、静止するgo/no-goタスクを実行する必要があります。 2. 観察タスク：サルが実験者が近接空間（OTP）および遠隔空間（OTE）で同じタスクを実行する様子を観察します。 3. ビデオ観察タスク（OTV）：サルは対象物向きまたは偽装された手部行動や孤立した物体の静止または動態ビデオを観察します。

研究チームは2匹のサルのAIPの異なる位置から記録された134個の独立神経細胞の活動を段階的に分析しました。その中で、ほとんどの細胞が観察された物体、実行された動作、および観察された動作に対して混合選択性を示し、特にこれらの情報がサルの近接作業空間から提供された場合に顕著でした。

主な結果

  1. 神経細胞の分類：VMTタスクに基づき、研究チームは神経細胞を視-運動、視覚関連、運動関連、およびタスク非関連の四つのカテゴリーに分類しました。そのうち、79個の神経細胞は視-運動神経細胞、26個は視覚関連神経細胞、13個は運動関連神経細胞、16個はタスク非関連神経細胞として特定されました。

  2. 混合選択性：ほとんどの（96%）視-運動神経細胞は観察タスクにおいても他者の行動（リアルタイム、ビデオのいずれも）に反応します。対照的に、これらの種類の刺激に対して純選択性を示す神経細胞は10%未満でした。また、ほとんどの（90%以上）神経細胞は対象物や自分の手部視覚フィードバックを観察した時にも放電を調節します。

  3. 行動タスクのクラスタリング：異なるタスクおよび時期の条件間でマハラノビス距離を計算し、基線段階ではタスクがサルの作業空間内外で初歩的に区分されていることが示され、対象物のさらなる区分はその後の視覚および運動段階でより明確になることが分かりました。

  4. 実際のエンコーディングと純視覚エンコーディングの区別：バリア条件下で一部の神経細胞をテストしたところ、多くの視覚応答神経細胞がバリアによって顕著に影響を受け、これらの神経細胞が実際のエンコーディングに関連するオブジェクトを反映していることが示されました。一方、いくつかの神経細胞はオブジェクトの3D特性に純粋に視覚的なエンコーディングを行っていました。

研究の結論

研究結果は、AIP領域のほとんど全ての視-運動神経細胞が物体および自己動作の情報をエンコードするだけでなく、他者の動作にも反応することを示しています。したがって、単一変量選択性に基づく従来の分類方法が過度に簡略であることが分かります。むしろ、AIP神経細胞は多様な組み合わせの選択性を示し、特に実践エンコーディングがAIPの機能において重要であり、これは前運動皮質と類似しています。

注目すべきは、一部のAIP神経細胞の活動が視覚および運動要因の複雑でコンテキストに依存する調整を受けることです。また、無監督の階層クラスタリング分析を応用し、異なるタスクおよび条件下でいくつかの顕著に異なる神経細胞集団を発見し、これらの神経細胞が多変量選択性およびタスク条件における複雑な調整特性を持つことを明らかにしました。

研究のハイライト

  1. 新しい混合選択性の発見：AIP領域の神経細胞が単一の情報タイプ（例：物体や行動）に対する選択性だけでなく、混合選択性を示すことを証明しました。
  2. 分布型エンコーディング方法：AIP内の多モーダルエンコーディングが異なるタスクおよび条件下で神経細胞の部分的混合選択性を通じて実現されることを示し、特定のカテゴリーの神経細胞による独立エンコーディングではないことを明らかにしました。
  3. 従来の見解への挑戦：この研究は純選択性に基づく従来の神経細胞タイプの分類方法に挑戦し、AIP機能に対するより複雑で包括的な理解を提供しました。

研究の価値

本研究は基礎神経科学分野において重要な理論的意義を持つだけでなく、前頭葉機能障害に関連する疾患（例：空間無視症や肢体失用症）の理解および治療に対する潜在的な臨床応用価値も持ちます。また、この研究は多変量選択性および分布型エンコーディングの方面での今後の神経科学研究に新たな方向性を提供します。

結語

この研究は、サルのAIP領域内の単一神経細胞の活動を詳細に記録および分析することで、この領域の神経細胞が視覚および運動情報処理において混合選択性および複雑な調整方式を持つことを明らかにし、神経科学分野、特に多モーダルな情報統合およびエンコーディング機構の研究に対する重要な推進力となります。