視覚皮質における注意に基づくルーティングのための神経振動相の参照フレーム

2024-05-29 Wed
視覚システムにおける選択的注意が特定の行動環境下でどのようにして視覚情報の知覚と処理を最適化するのかは、重要な問題の一つです。これまでの研究では、情報伝達における単一ニューロンの活動電位頻度の重要な役割を分析してきましたが、単一ニューロンがその近隣の神経ネットワークに対してどのように効果的に注意信号を表現・伝達するかについての理解は依然として限られています。本研究は、ニューロンが近隣ネットワークの神経振動位相（phase of neural oscillations）を参照フレームとして利用し、注意の切り替えにおいて重要な役割を果たす可能性があるとの仮説を立て、その仮説を検証するための一連の実験を行いました。
論文の出典本論文は、エフサン・アボウトラビ（Schulich School of Medicine and Dentistry, Robarts Research Institute）、ソニア・バロニ・レイ（Indraprastha Institute of Information Technology）、ダニエル・カピング（Helmholtz Centre for Environmental Research）、ファーハド・シャーバジ（イスファハーン工科大学）、ステファン・トロイ（German Primate Center, University of Goettingen）、モイーン・エッガエイ（Westa Higher Education Center, German Primate Center）によって共同執筆されました。2023年12月23日に著名なジャーナル《Progress in Neurobiology》に掲載され、オンラインで入手可能です。
研究の流れ実験対象とタスク研究の対象は2匹のマカクザル（Macaca mulatta）です。実験では固定された頭部のサルをディスプレイの前に置き、視覚注意タスクを行わせました。タスクでは、サルは中央の固定点を注視し、指示に従って特定の螺旋運動パターンに注意を移動させることによって液体報酬を得ます。視覚皮質内の局所場電位（local field potentials, LFPs）と単一細胞の活動を記録し、ニューロン活動とLFP位相の関係を分析しました。
データの記録と処理データ記録：3チャンネルの微駆動システムを使用してニューロン活動を記録し、40kHzのサンプリング周波数で記録しました。
LFPとニューロン活動の分析：記録されたLFPsに対して周波数フィルタリングを行い、異なる周波数帯域における位相分布を分析しました。同時に、ニューロンの活動電位と対応する周波数帯域内のLFP位相を比較しました。
適応性神経遅延モデル：感覚および調節子ネットワークを含む計算モデルを構築し、シナプス遅延を調整することにより、さまざまなシナプス遅延がニューロン位相の偏好値に与える影響を評価しました。
実験手順実験手順には、サルに視覚注意タスクを訓練し、視覚皮質MST領域の局所場電位と単一細胞活動を記録することが含まれます。周波数フィルタリング分析法を用いて、注意条件下でのニューロン活動電位の異なるLFP周波数帯域における位相分布を比較し、さらに計算モデルを利用してシナプス遅延が位相エンコーディングに与える影響をシミュレートしました。
主要な研究結果ニューロンの位相ロッキング：ニューロンは周囲のネットワークの20Hz ~ 24Hzのβ振動内で顕著にロッキングされることが発見されました。サルがニューロンの受容野内に注意を集中させると、ロッキング位相は遅い段階に偏り、サルが視覚変化を報告するスピードと正の相関があることが示されました。
計算モデルのサポート：モデルの結果は、さまざまなシナプス遅延を調整することにより、ニューロンとLFP β振動位相のカップリングを操作できることを示し、新しい方法の有効性を裏付けました。
空間注意の位相依存性：研究は、注意の空間配分がニューロンの位相ロッキング現象を著しく調整し、この調整が応答時間を予測する作用を持つことを示しました。
結論と研究の価値本研究は、サルの視覚皮質MST領域内のニューロン活動電位が近隣のネットワークLFP β振動位相とロッキングされる現象を明らかにし、空間注意が位相エンコーディングにおいて重要な役割を果たすことを強調しました。この発見は、選択的注意がどのようにして位相ロッキングメカニズムを通じて注意関連の視覚情報伝達を最適化するかを理解するのに役立ち、将来の高次皮質領域が注意の焦点をどのようにデコードするかについての新しい見解を提供します。
研究のハイライト新しい位相エンコーディングメカニズム：研究は、シナプス遅延を調整することによってLFP β振動位相のカップリングを操作する新しい方法を初めて提案し、検証しました。
理論的支持と実験的検証の組み合わせ：行動実験と計算モデルの検証を組み合わせることで、研究仮説を効果的に支持しました。
研究の意義視覚皮質内のニューロンがLFPに対して位相ロッキングされる現象を明らかにすることで、本研究は選択的注意の神経メカニズムを理解するための新たな視点を提供します。特に、神経振動位相を参照フレームとして利用することで関連情報伝達の効率を向上させる方法について洞察を与えます。これは将来の神経修復・増幅技術や人工神経ネットワークの最適化に重要な指針を提供するものです。
付録本研究はDeutsche Forschungsgemeinschaftから支援を受けています。データはfigshareを通じて公開されています。本論文はジン・ヘ、ベアトリクス・グラサー、ディルク・プライスなど技術サポートに感謝の意を表します。
本報告書は、論文《Phase of neural oscillations as a reference frame for attention-based routing in visual cortex》を詳細に解析し要約したものであり、サルの視覚皮質における選択的注意の位相エンコーディングメカニズムおよびそれが情報伝達に与える影響を示し、未来のこの分野の研究に貴重なデータと理論的支持を提供します。