マウス脳における脳全体プロジェクトームと神経動態を結びつける

2024-06-02 Sun
背景紹介脳は異なるサブタイプのニューロンで構成されており、これらのニューロンは局所および長距離のシナプス接続を通じて複雑な神経ネットワークを形成しています。これらの神経ネットワークの機能を理解するには、その接続パターン（プロジェクトーム）と神経ダイナミクス（ニューロンダイナミクス）を理解する必要があります。中規模接続学および細胞分解能の機能画像技術の発展により、異なる脳領域のニューロンの構造組織や機能を明らかにすることが可能になったものの、同一ニューロンの神経活動と全脳接続群を同時に把握することは依然として課題です。特に皮質下の脳領域のニューロンにとっては難しいです。
出典紹介本文はXiang Li、Yun Du、Jiang-Feng Huangなど複数の研究チームメンバーにより共同で執筆され、著者はHuazhong University of Science and Technology、Chinese Academy of Sciencesなどの機関に所属しています。論文は2024年1月に《Neuroscience Bulletin》に掲載されました。
研究目的および方法研究目的本研究の主な目的は全脳接続図と神経ダイナミクスを関連付け、従来の研究で困難だった同一ニューロンの活動と全脳投射パターン両方を同時に得る問題を解決することです。研究はマウスの脳に焦点を当て、体性感覚皮質、背側海馬および黒質緻密部など複数の皮質および皮質下脳領域を対象としました。
研究方法研究では多くの技術が使用されました。体内顕微鏡画像および高分解能蛍光顕微光学スライス断層スキャン技術（fMOST）を使用して、体性感覚皮質、背側海馬および黒質緻密部における機能関連ニューロンの全脳投射パターンを描写しました。また、全脳接続図と神経ダイナミクスを関連付けるための分子定義のニューロンサブタイプを識別する戦略を開発しました。
詳細手順動物実験の準備：6-13週齢の雄性C57BL/6JおよびDAT-Creマウスを使用し、ウイルス注入後6-7週間待機しウイルスの発現を実現させました。
ウイルスおよび手術操作：AAV2/8-CamKII-CreおよびAAV2/9-hEF1a-DIO-eYFP-WPRE-PAなど異なるAAVウイルスを使用して感染を行い、標準的なステレオタクティック注射システムを用いて脳に注射しました。
体性感覚皮質（S1BF）の実験：体性感覚皮質L2/3層にウイルスを注入し、標識および画像を取得しました。エアフロー刺激および移動壁を用いてマウスの触覚を刺激し、ニューロンのカルシウムダイナミクスを記録しました。
背側海馬（dCA1）の実験：dCA1領域に混合ウイルスを注入し、GRINレンズを移植することでin vivo画像を取得し、脚底電撃に対する神経反応を記録しました。
黒質緻密部（SNC）の実験：SNC領域でウイルス注射およびGRINレンズ移植を行い、特定分子で標識されたドーパミンニューロンのダイナミクスを記録しました。
主な結果結果概要体性感覚皮質（S1BF）：
2光子顕微鏡画像およびfMOSTを使用して、研究チームは体性感覚皮質L2/3層の61個のニューロンが触覚刺激に反応する様子を分析し、8.2％のニューロンが刺激に反応しました。
fMOSTを使用してこれらのニューロンの全脳画像を取得し、43個のニューロンを成功裏に登録し、その投射パターンは全脳で異なることが示されました。
背側海馬（dCA1）：
30個のdCA1ニューロンを記録し、これらのニューロンが脚底電撃に対して異なる反応パターン（興奮、抑制、無反応）を示すことを発見しました。
fMOSTおよび適応光学顕微鏡を使用してdCA1領域のニューロンを詳細に形態学的に分析および登録しました。
黒質緻密部（SNC）：
SNC内のドーパミンニューロンを特異的に標識および画像化し、7個のニューロンのカルシウムダイナミクスを記録し、その応答パターンが目的脳領域への投射パターンと関連していることを発見しました。
fMOST画像技術を使用してこれらのニューロンの全脳画像および投射分析を行いました。
データ分析血管分布およびGRINレンズの軌道に基づく画像登録、ならびにゼルニケモードに基づく適応光学顕微鏡校正法を含む多くのアルゴリズムを使用して画像処理および細胞登録を行いました。
ニューロンの応答パターンおよび投射対象脳領域を分析することにより、機能定義されたニューロンの全脳投射パターンを明らかにしました。
結論および意義結論本文で開発された研究方法は、全脳接続図と神経ダイナミクスを関連付けることに成功し、皮質および皮質下領域でこれを初めて実現しました。研究結果は、類似の投射パターンを持っていても、ニューロンが機能的に異質である可能性があることを示しています。この発見は、大脳の機能組織をより理解するための新しい手がかりを提供します。
意義と価値科学的価値：本文の研究成果は、神経ネットワークの作動原理を解明する上で重要な意義を持ち、大脳がどのように複雑な接続パターンを通じて機能を組織するかを理解する新しい方法を提供します。
応用価値：研究で開発された画像および分析技術は、基礎科学研究のみならず、臨床神経科学研究にも広く適用することができ、神経病理メカニズムを解明するための新しいツールおよび方法を提供します。
研究のハイライト新規性：全脳接続図と神経ダイナミクスを初めて成功裏に関連付け、特に皮質下脳領域のニューロンに対して実現しました。
方法の革新：体内画像、適応光学顕微鏡および高分解能fMOST画像など複数の先進技術を使用し、機能定義および分子定義されたニューロンの全面的な分析を実現しました。
広範な応用：開発された方法および戦略は、異なるタイプのニューロンおよび機能研究に広く適用でき、神経科学研究の新しい方向を切り拓きます。
その他の価値ある情報研究は国家自然科学基金および国家科技イノベーション2030プロジェクトなど複数のプロジェクトの資金援助を受け、複数の研究機関の協力により実施されました。研究チームは多くの研究者および技術者の支援と貢献に感謝しています。この研究は神経科学研究を進展させるだけでなく、オープンデータおよびコードを提供して、他の研究者がさらなる探求および検証を行えるようにしています。
本文は詳細な実験計画およびデータ分析を通して、全脳接続図と神経ダイナミクスを関連付ける可能性および方法を示し、将来の神経科学研究に重要な参考とされます。