大規模神経細胞撹乱後の複雑な学習行動の無監視の回復

本論文は、ベンガラフィンチが大規模な神経細胞の撹乱後に複雑な学習行動をどのように回復するかについての研究を報告しています。研究者は、遺伝的手段を用いてベンガラフィンチの発声系列を生成する重要な脳領域HVC(hyperpallium ventralis)の投射ニューロンの活動を選択的に撹乱し、発声が著しく低下することを引き起こしました。驚くべきことに、発声を阻止された一定期間の後でも、ベンガラフィンチは2週間以内に元の発声を完全に回復することができました。

著者と論文出典:本研究はカリフォルニア工科大学のBo Wang、Zsofia Torok、Alison Duffy、David G. Bell、Shelyn Wongso、Tarciso A. F. Velho、Adrienne L. Fairhall、Carlos Loisによって行われ、2024年にNature Neuroscienceに発表された論文です。

研究の手順: a)はじめに、著者らはHVCにおいて細菌由来のナトリウムチャネルNachBacまたはテタヌストキシン軽鎖(TeTx)を発現させることで、HVC投射ニューロンの活動時間またはシナプス伝達物質放出を撹乱しました。撹乱した最初の数日間、発声は完全に低下し、音節は識別できなくなりました。

b)驚くべきことに、5-10日後にベンガラフィンチの発声は回復し始め、約2週間後には撹乱前とほぼ同じレベルまで完全に回復しました。著者らは、発声の音響特性の変化を分析し、発声の低下と回復の動的過程を定量的に記述しました。

c)回復のメカニズムを探るため、著者らは一部のベンガラフィンチに回復期間中の発声を阻止しましたが、その発声は有意に回復したことから、実践に依存しないオフラインのメカニズムが回復を促進していることが分かりました。

d)電気生理学的記録から、撹乱を受けていないHVCニューロンの興奮性シナプス入力が著しく増加していましたが、それらのニューロン自体の性質は変化していませんでした。

e)著者らは計算モデルを作成してニューロン系列のダイナミクスをシミュレートし、単一細胞レベルの自己調節作用だけでなく、ネットワーク全体の自己調節メカニズム、および元々系列活動に関与していなかった「静穏」ニューロンの新規リクルートが必要であることを発見しました。これらのことがシナプス入力の増加と行動の回復を説明できます。

主な発見: 1)大規模な撹乱後、ベンガラフィンチは実践に依存することなく、オフラインのメカニズムにより約2週間で複雑な発声行動を段階的に回復します。

2)回復過程では、撹乱を受けていないHVC投射ニューロンへの興奮性シナプス入力が著しく増加しますが、それらのニューロン自体の性質は変化しません。

3)行動および電気生理学的結果から、単一細胞とネットワークの両レベルでの自己調節作用、および以前は「静穏」だったHVC投射ニューロンの新規リクルートが必要であることが分かりました。これらが神経回路の系列ダイナミクスの回復を説明できます。

研究の意義: 本研究は、大規模な撹乱後に脳の神経回路が重要な行動を維持するために自己再構築できる能力を明らかにし、脳が系列ダイナミクスの非監督型回復のための自己組織化メカニズムを持つことを強調しています。この発見は、脳が長期的に情報と行動の連続性をどのように保持し、疾患や損傷後に神経機能をどのように回復するかを理解する上で重要です。

本研究は、ベンガラフィンチの発声神経回路が撹乱された後の行動動態と神経回路の再編成過程を系統的に調べ、ニューロンの自己調節と新規ニューロンのリクルートなどの内在的回復メカニズムを発見しました。これは、脳が行動の安定性と自己修復を維持する分子およびネットワークの基盤を解明するための新しい洞察を提供しています。