発達期神経回路形成における同期発火の役割の解明

阐明同步放电在发育神经回路形成中的作用

基本信息

批准号：
22KJ0663
负责人：
鹿島哲彦
金额：
$ 1.98万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0663/
关键词：
Hebb則同期発火可塑性方位選択性

项目摘要

脳内の情報伝達を担う神経細胞間の結合は正常な脳機能に重要である。1949年に提唱された「同期発火した神経細胞同士は結合する」というHebb則は神経回路研究において重要な仮説であるが、いまだに直接的な証明を行った知見は存在しない。その原因として、慢性的に同期発火を誘導することが困難であること、結合を確認する手法の技術的障壁が大きいことが挙げられる。申請者は新たな同期発火誘導手法の確立・複数細胞同時パッチクランプ技術の習得に加え、同期的でないランダムな発火を誘導する実験系を見出し、この問題を解決した。これにより同期的な発火こそが結合に重要であるというHebb則の直接的な証明に取り組んできた。本研究ではマウス感覚皮質において生後9-13日に毎日1時間の同期発火またはランダム発火誘導を行った個体において、合計3000ペア以上もの細胞間の記録を行い、3週齢で同期発火細胞間の結合確率のみ有意に増加していることを見出した。さらに、結合の電気生理学的特性には有意な差が見られなかったことから、生体内で生理的機能を担う可能性が示唆された。加えて、記録細胞の形態を可視化することで、同期発火誘導により一部のスパインサイズの増大が認められ、結合の増加をミクロスケールでも裏付けることが出来た。次に、方位選択性について、同じ機能を果たす神経細胞の結合確率が高いという過去の知見に着想を得て、同期発火・ランダム発火神経細胞について2光子カルシウムイメージングを用いて方位選択性の類似度を比較した。すると、細胞集団レベルでの表象に差は見られなかったものの、同期発火により方位選択性が上昇することを見出した。本研究は70年以上未証明であったHebb則に直接的に切り込み、さらに、形成された結合が果たす生理的な機能に言及した点で意義深い。

负责大脑中信息传输的神经元之间的连接对于正常的大脑功能很重要。 1949年提出的赫布定律指出“同步放电的神经元彼此连接”，是神经回路研究中的一个重要假设，但目前还没有直接证明这一假设。其原因包括长期诱导同步发射的困难以及确认绑定方法的技术障碍。申请人通过建立一种用于诱导同步放电的新方法并学习用于多个细胞的同时膜片钳技术，以及通过发现一种诱导随机、非同步放电的实验系统，解决了这个问题。通过这个，我们一直致力于赫布定律的直接证明，该定律指出同步发射对于绑定很重要。在这项研究中，我们对小鼠感觉皮层中总共 3000 多对细胞进行了记录，在出生后第 9 天至第 13 天每天诱导同步放电或随机放电 1 小时，我们发现只有组合概率有所增加。显著地。此外，该键的电生理特性没有观察到显着差异，表明它可能在体内发挥生理功能。此外，通过可视化记录的细胞形态，我们观察到由于同步放电的诱导，一些棘的尺寸增加，即使在微观尺度上也支持连接性的增加。接下来，关于方向选择性，受过去发现执行相同功能的神经元具有很高连接概率的启发，我们使用双光子钙成像来测量同步放电和随机放电神经元的方向选择性的相似性。尽管他们发现细胞群水平上的代表性没有差异，但他们发现同步放电增加了方向选择性。这项研究的意义重大，因为它直接解决了 70 多年来一直未经证实的赫布定律，并且还解决了所形成的键所发挥的生理功能。