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。

神经信息通过多层神经回路分层传输，从而实现记忆和学习等高阶功能。然而，每层所包含的细胞数量并不均匀，并且有些层由极少数细胞组成。目前尚不清楚通过如此小的层的神经信息是如何处理的。在这项研究中，我们重点研究了海马CA3区多个锥体神经元同时激活所产生的尖波波纹传递到齿状回的途径。苔藓细胞位于这两个区域神经束的中层，其数量远小于CA3区和齿状回的神经元数量。过去的研究结果表明，尖波波纹的波形是多种多样的，并且波形本身反映了海马信息的内容。我利用体外膜片钳记录，同时观察了多达五个苔藓细胞在尖波波纹发生过程中的阈下膜电位，并将其与自主开发的机器学习方法相结合。通过将尖波波纹激活的苔藓细胞的膜电位与尖波波纹的波形相关联，我们研究了尖波波纹的神经信息如何传递到苔藓细胞并被编码。我开发了一种机器学习方法，通过关联不同的波形进行学习，并成功地从苔藓细胞膜电位信息中再现尖锐的波纹波信息。该模型能够根据一个苔藓细胞的波形预测一个数据集中记录的总尖波纹波的 9.2%（平均值）。此外，随着同时记录的苔藓细胞数量增加，可预测的尖波波纹总数的比例几乎呈线性增加。结果表明，通过同时记录五个苔藓细胞的膜电位信息，可以预测总锐波波纹的30%以上。上述结果表明，尖波纹波信息被有效地分配给苔藓细胞，并且苔藓细胞在海马体中编码信息，同时彼此相互作用。