生体脳情報処理における単一神経細胞の樹状突起・スパイン信号処理の機構と役割の解明

阐明单神经元树突/脊柱信号处理在生物脑信息处理中的机制和作用

• 批准号: 20K23378
• 负责人: 佐藤 達雄
• 金额: $ 35.78万
• 依托单位: Kagoshima University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Fund for the Promotion of Joint International Research (Home-Returning Researcher Development Research)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-02-18 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K23378/
• 关键词: 神経細胞; 樹状突起; スパイン; 大脳皮質; 二光子測光

大脳皮質は複雑な計算を行うことができる。皮質計算の基本情報処理単位は単一細胞にあると考えられてきた。しかしながら、脳切片などの単離脳標本においては皮質単一細胞の細胞内コンパートメントにも精巧かつ非線形な演算機能が備わることが示されてきた。もし、細胞内コンパートメント自体が情報処理単位ならば、私たちの脳の捉え方が大きく変わる。本研究では、マウスの個体脳において、単一細胞の視覚情報処理計算に着目し、細胞内コンパートメント演算の役割を明らかにする。このことは、大脳皮質の基本情報処理単位の概念を問い直すことに繋がる。初年度では、マウス大脳皮質視覚野の非線形な視覚情報処理に着目し、樹状突起の非線形演算が関わるかを問う研究を行ってきた。研究室独自の技術「機能的狙い撃ちDNA電気穿孔法」を用いて、非線形な視覚情報処理を行う単一細胞にカルシウム感受性蛍光タンパクを発現させ、細胞体と樹状突起の活動を二光子測光を行った。樹状突起の活動は細胞体の活動とは必ずも一致しないことが明らかになった。では、樹状突起の活動を操作すれば、最終的な出力である細胞体の活動はどうなるであろうか？このことを検証するために、個体脳の単一細胞において、細胞体・樹状突起の活動を別々に光遺伝学的もしくは薬理的に操作する独自の手法を開発した。このことにより、樹状突起演算がより詳細に明らかになると同時に、樹状突起演算の因果的役割も明らかになりつつある。

大脑皮层可以执行复杂的计算。皮层计算的基本信息处理单元被认为驻留在单个细胞中。然而，在脑切片等孤立的大脑标本中，研究表明，即使是单个皮质细胞的细胞内区室也配备了复杂的非线性计算功能。如果细胞内区室本身就是信息处理单元，我们对大脑的理解将会发生巨大的变化。在本研究中，我们重点研究小鼠大脑中单细胞的视觉信息处理计算，并阐明细胞内区室计算的作用。这导致我们重新考虑大脑皮层基本信息处理单元的概念。第一年，我们重点关注小鼠大脑皮层视觉皮层的非线性视觉信息处理，研究是否涉及树突中的非线性操作。利用我们实验室的专有技术“功能性靶向 DNA 电穿孔”，我们在处理非线性视觉信息的单细胞中表达钙敏感荧光蛋白，并使用双光子光度测定法测量细胞体和树突的活性。很明显，树突的活动并不总是与细胞体的活动相匹配。那么，如果我们操纵树突的活动，最终的输出，即细胞体的活动会发生什么？为了验证这一点，我们开发了一种独特的方法，可以通过光遗传学或药理学的方式分别操纵个体大脑单个细胞中的细胞体和树突活动。由此，树突运算正在被更加详细地阐明，同时，树突运算的因果作用也变得清晰。