7T fMRIによって明らかにされたマカクサルの腹側および背側視覚経路の中規模な組織

2024-05-29 Wed
サルの腹側および背側視覚経路におけるメソスケール組織パターンの解明：7T fMRI の解析から浙江大学神経科学・技術学際研究所および第二附属病院の神経外科研究チームは、『Progress in Neurobiology』誌に「Mesoscale organization of ventral and dorsal visual pathways in macaque monkey revealed by 7T fMRI」と題した論文を発表しました。本論文では、初めてサルの腹側および背側視覚経路における複雑なメソスケール組織パターンを明らかにし、単一の視覚刺激を処理する際のこれらの機能領域の協調性を説明しています。
背景説明視覚システムは腹側経路と背側経路に分かれており、これはMishkinおよびその同僚による初期モデルによって定義されています（UngerleiderとMishkin、1982；Mishkinら、1983）。腹側経路は主に物体認識に必要な視覚情報（例：色、明るさ、形状）を処理し、背側経路は自己ナビゲーションや自己運動に関連する視覚情報（例：手の動作の調整）を処理します。これらの情報には、特定の方向や速度で近づくボールをどう握るかといった情報が含まれます。腹側および背側経路は両方とも動きや位置などの視覚的手がかりに敏感ですが、異なる機能において区別されています。
研究背景本論文の主要著者には、浙江大学のJianbao Wang、Xiao Du、Songping Yao、Lihui Li、Hisashi Tanigawa、Xiaotong Zhang、およびAnna Wang Roeが名を連ねています。彼らは『Progress in Neurobiology』誌上でこの研究成果を発表し、オンライン掲載日は2024年2月1日です。
研究方法と実験手順サルの視覚ネットワークを探究するために、研究チームは超高磁場（7T）fMRI法を開発しました。これにより、単一のサルにおいて同時に複数の視覚経路をマッピングし、単一の簡単な色または運動刺激に対する反応を検出することが可能になりました。具体的な実験手順は以下の通りです：
実験手順技術的挑戦と動物の準備：信号対雑音比（SNR）を向上させ、高い空間分解能を得るために、チームはカスタムメイドの16チャンネルRFコイルを使用しました。このコイルは7T磁石と多配列RFコイルと組み合わせられました。すべての動物（2匹の成体雌サル）は実験前に麻酔を施され、気管挿管を通じて呼吸器に接続され、安定したスキャン条件を確保しました。
視覚刺激とデータ収集：低時間周波数のカラードリフトグリッドと高時間周波数の無色ドリフトグリッドを使用して特定の反応を誘発しました。完全な視覚刺激は投影スクリーン上に表示され、刺激期間は12秒で、24秒の等輝度のグレー画面を間隔として使用しました。
MRIデータの処理：機能的画像収集にはグラディエントエコーEPIシーケンスを使用し、全脳の構造画像には3D T1加重MPRAGEシーケンスを使用しました。データを正確に分析するために、FreeSurferソフトウェアを用いて処理を強化し、放射方向のスムージングでノイズをキャンセルしつつ空間分解能を保持しました。
メソスケール組織の機能領域マッピング7T fMRIを用いて、チームはV2縞、V4色および明度処理領域、MTおよびMST領域の運動方向地図、V3およびV3A領域の交互色および運動方向領域など、2つの視覚経路内の機能領域を特定しマッピングすることができました。
V2縞および検証V2領域には「薄い」、「淡い」、「厚い」縞が含まれることが知られており、これらの縞は周期的な間隔で配列されています。fMRIのマッピング結果はこれらの機能縞の正確な空間位置を示し、細胞色素オキシダーゼの染色図と一致しました。
背側経路のメソスケール運動領域組織背側視覚経路では、MTおよびMST領域の機能領域が運動方向に対する反応地図を示し、これらの領域が複雑な運動を処理する能力をさらに支持しています。同時に、V3dおよびV3A領域はそれぞれ交互の色および運動領域を示し、この空間レイアウトはこれらの領域における人間の視覚システムの組織と一致しています。
主要な成果と意義科学的および応用的価値本研究はサルの視覚経路の複雑な機能組織を明らかにするだけでなく、これらの経路が視覚情報をどのように連携して処理するかについての理解を深めました。これは、視覚認知や行動における脳の機能的基盤をさらに理解するための新しい見解を提供します。
ハイライトおよび革新点革新的な方法：7T fMRIと16チャンネルRFコイルを組み合わせることで、高空間分解能と広い視野範囲内での機能領域のマッピングを実現しました。
跨領域のメソスケール組織：初めて単一個体内でサルの視覚経路の複数の領域における機能領域の配置を示し、視覚情報処理の理解に新たな視点を提供しました。
潜在的な応用将来の研究では、これらの成果を活用して、より正確な脳刺激技術やブレイン-マシンインターフェイス装置を開発し、視覚情報処理の神経基盤をさらに探究および利用できるでしょう。
加えて、この研究で示された方法と発見は、他の神経科学研究においても広範な応用可能性を持ち、特に複雑な脳ネットワークとその機能的つながりの研究において大きな価値を持ちます。総じて、視覚システムの精緻な機能領域の組織を明らかにすることで、本研究は科学者や臨床医に重要な基礎データおよび研究ツールを提供します。