海馬歯状回におけるリバース伝播の生理的意義の解明

阐明海马齿状回反向传播的生理意义

基本信息

批准号：
20J01255
负责人：
大内彩子
金额：
$ 3.08万
依托单位：
Institute of Physical and Chemical Research
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J01255/
关键词：
海馬歯状回苔状細胞鋭波リップル機械学習

项目摘要

神経情報は、何層もの神経回路を経て階層的に伝達されることで、記憶や学習などの高次機能が発揮される。しかし、各層に含まれる細胞数は一様ではなく、極めて少数の細胞で構成される層がある。このような小さな層を通過する神経情報がどのように処理されるのかについては明らかではない。本研究では、海馬CA3 野の複数の錐体細胞が同時に活動することによって生じる鋭波リップルが歯状回へ伝達される経路に着目した。この二領域の神経路の中間層として位置するのが苔状細胞であり、その数はCA3 野や歯状回に存在する神経細胞の数よりも圧倒的に少ない。過去の知見より、鋭波リップルの波形は多様であり、波形自体に海馬情報のコンテンツが反映されることが示唆されている。私は、in vitro パッチクランプ記録法により鋭波リップル発生時における苔状細胞の閾値下膜電位を最大5 細胞まで一斉に観察し、独自に開発した機械学習手法を組み合わせた。そして、鋭波リップルによって活動する苔状細胞の膜電位と、鋭波リップルの波形を関連付けることで、鋭波リップルの神経情報がどのように苔状細胞に伝達され、符号化されるのかを調べた。私は、異なる波形同士を関連付けて学習する機械学習手法を開発し、苔状細胞の膜電位情報から鋭波リップルの情報を再現することに成功した。本モデルでは1つの苔状細胞の波形から、１つのデータセットで記録された全鋭波リップルの9.2%（平均値）を予測することができた。また、同時に記録する苔状細胞の数が多いほど、予測できる全鋭波リップルの割合はほぼ直線的に増加した。その結果、同時に記録した5つの苔状細胞の膜電位情報によって、全鋭波リップルの30％以上が予測可能であることを明らかにした。以上より、鋭波リップルの情報が苔状細胞に効率的に分配され、苔状細胞同士が連関しながら海馬の情報を符号化することを明らかにした。

神经信息通过几层神经回路从层次上传播，并展示了更高级别的功能，例如记忆和学习。但是，每一层中包含的细胞数量并不均匀，并且层由很少的单元组成。目前尚不清楚如何处理通过如此小层的神经信息。在这项研究中，我们集中在途径上，其中尖锐的波浪纹波传播到由海马CA3场中多个锥体细胞同时活性引起的齿状回。苔藓细胞位于这两个区域的神途径的中间层，它们的数量远小于CA3场和齿状回中存在的神经元数量。先前的发现表明，尖锐波浪波动的波形是多种多样的，海马信息的内容反映在波形本身中。我通过体外贴片夹记录，最多一次，并结合了一种独特开发的机器学习方法，观察到在锋利波浪发作时苔藓细胞的亚阈值潜力。通过将锋利波纹波活跃的苔藓细胞的膜电位与锋利波纹波的波形联系起来，我们研究了如何将锋利波纹波的神经信息传播到苔藓细胞并编码。我开发了一种机器学习方法，该方法涉及将不同的波形和学习联系起来，并成功地从苔藓细胞的膜潜在信息中复制了有关尖锐波浪纹波的信息。在此模型中，我们能够预测一个数据集中从一个苔藓细胞的波形中记录的一个数据集中记录的总锋利波波纹的9.2％（平均）。此外，同时记录的苔藓细胞数量越大，总尖波纹波的比例越大，几乎线性地增加了。结果，据透露，可以通过同时记录的五个苔藓细胞的膜电位信息来预测总锋利波纹波的30％以上。从上面可以揭示出有关尖锐波浪纹波的信息有效地分布在苔藓细胞之间，并且在苔藓细胞将苔藓细胞链接在一起时，对海马的信息进行了编码。