視覚野機能構築が生成する神経細胞活動の動的特性と文脈効果

视觉皮层功能构建产生的神经元活动的动态特征和情境效应

基本信息

批准号：
19K12743
负责人：
宮下真信
金额：
$ 2.83万
依托单位：
National Institute of Technology(KOSEN),Numazu College
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

LGN-V1野入力層間には、フィードフォワードな興奮性結合と抑制性細胞を介した結合がある。この抑制性介在細胞は、成体では方位選択性に乏しいが、視覚刺激に依存して興奮性細胞の膜電位の調整をしていることが示唆されている。サイン波上のグレーティング刺激を提示したとき、発火頻度モデルで記述された視覚野細胞の膜電位は、最適な方位に近いほど振幅が大きく、それと直交する方位については振幅が小さくなることから、従来は膜電位の平均値を閾値として神経細胞の出力としていた。初めに、静止電位に相当する膜電位をこの平均値のレベルと仮定し、抑制性の介在細胞の調整作用によって、膜電位が静止電位レベルに保たれるとの仮説を立て、LGN-視覚野間の結合の自己組織化数理モデルを抑制性介在細胞の膜電位調整機構を取り入れたモデルへと発展させた。従来モデルでは、シナプス後細胞のスパインに対して、シナプス前細胞の軸索終末がスパインを奪い合う競合を仮定していた。しかしながら近年、発達期ではシナプス後細胞のスパイン数が増減することで、神経可塑性が生じている実験が報告されていることから、シナプス後細胞の樹状突起でのスパインの生成消滅をモデル化し、神経ネットワークの自己組織化数理モデルをさらに精緻化した。この数理モデルを使ってシミュレーションを実行した結果、発達の初期過程ではシナプス数が増加し単純型細胞の受容野がある程度形成されるが、その後シナプス数が減少する過程で方位マップが形成されることが示唆された。この発達過程でのシナプス数の増加／減少は、臨界期の初期にシナプス数が増加し後期にシナプス数が減少して成体の数に近づくことや、皮質細胞の受容野特性の形成にそぐわないLGNからの入力線維が減少するというselection仮説とも一致している。

LGN 和 V1 输入层之间存在前馈兴奋性连接和抑制性细胞介导的连接。尽管这些抑制性中间神经元在成人中具有较差的定向选择性，但有人认为它们依赖于视觉刺激来调节兴奋性细胞的膜电位。当呈现正弦波上的光栅刺激时，放电频率模型描述的视觉皮层细胞的膜电位在接近最佳方向时具有较大的振幅，而在与其正交的方向上具有较小的振幅，这是传统的方法使用膜电位的平均值作为阈值和神经元的输出。首先，我们假设与静息电位相对应的膜电位处于该平均水平，并假设通过抑制性中间神经元的调节作用将膜电位维持在静息电位水平。结合到一个模型中，该模型结合了抑制性中间神经元细胞的膜电位调节机制。传统模型假设突触前细胞的轴突末端与突触后细胞的轴突末端竞争棘。然而，近年来，有实验报道，神经可塑性是由于发育期间突触后细胞棘数量的增加或减少而发生的，我们进一步完善了神经网络的自组织数学模型。使用该数学模型进行模拟的结果发现，在发育的最初过程中，突触数量增加，并且在一定程度上形成了简单细胞的感受野，但随后，随着突触数量的减少，建议形成方向图。这一发育过程中突触数量的增加/减少是由于关键期前期突触数量增加，后期减少，接近成虫数量，而LGN与皮质细胞感受野的形成特征不相容，这也符合输入纤维数量的选择假设。