解剖学的に解決された振動バーストは、自然刺激視聴中の視床皮質活動の動的モチーフを明らかにする
研究背景
視覚システムは、哺乳類の脳の中で最も複雑な感覚システムの一つであり、その機能は複数の脳領域、特に視床（thalamus）と一次視覚野（V1）間の情報伝達に依存しています。視覚情報の処理は、光の強度、コントラスト、運動などの基本的な特徴の抽出だけでなく、複雑な自然シーンの中で複数の時空間的特徴を同時に処理する必要があります。これまでの研究では、視覚システムにおけるニューロン活動の多くの詳細が明らかにされてきましたが、自然視覚刺激下での神経振動活動、特に視床-皮質回路における視覚情報の動的符号化については、まだ多くの未解決の問題が残されています。
神経振動（neural oscillations）は、脳活動の重要な特徴であり、通常は局所場電位（local field potential, LFP）中の周期的な変動として現れます。これらの振動活動は、情報伝達、特徴符号化、および神経同期において重要な役割を果たすと考えられています。しかし、ほとんどの研究は人工的な刺激（例えば光のグレーティングやフラッシュ）下での振動活動に焦点を当てており、自然視覚刺激下での振動ダイナミクスについてはあまり理解されていません。自然視覚刺激は非定常性と複雑性を持ち、日常の視覚体験をよりリアルにシミュレートできるため、自然刺激下での神経振動活動を研究することは科学的に重要な意義を持ちます。
本研究の核心的な問題は、自然視覚刺激下で、マウスの視床-視覚皮質システムがどのように高速神経振動を通じて複雑な視覚入力を処理するかということです。具体的には、研究者はV1中の局所振動活動を分析し、異なる視覚特徴（例えば明るさ、コントラスト、運動）がどのように特定の振動パターンを誘発するかを明らかにし、これらの振動パターンがどのように層を跨ぐニューロン活動を調整し、動的な神経回路パターンを形成するかを探求することを目指しています。
論文の出典
本論文は、Lukas Sebastian Meyerolbersleben、Anton Sirota、およびLaura Busseによって共同で執筆されました。3人の著者はすべてドイツのミュンヘン大学（Ludwig-Maximilians-Universität München）の神経生物学部門に所属しています。論文は2025年7月9日に『Neuron』誌に掲載され、タイトルは「Anatomically Resolved Oscillatory Bursts Reveal Dynamic Motifs of Thalamocortical Activity During Naturalistic Stimulus Viewing」です。論文のオープンアクセス版はElsevierの公式ウェブサイトから入手可能で、DOIは10.1016/j.neuron.2025.03.030です。
研究のプロセスと結果
1. 研究のプロセス
本研究は、Allen研究所のNeuropixels視覚符号化プロジェクト（Allen Neuropixels Visual Coding Project）のデータに基づいており、自然シーンと動画刺激を組み合わせて、マウスのV1中の局所場電位（LFP）とニューロン活動を分析しました。研究のプロセスは主に以下のステップで構成されています：
a) データ収集と前処理
研究者は、マルチチャネルのNeuropixelsプローブを使用して、マウスのV1と視床外側膝状体（dorsolateral geniculate nucleus, dLGN）の神経活動を記録しました。実験刺激には、全画面フラッシュ、自然画像、および動画が含まれます。LFPデータは、多テーパースペクトル分析（multitaper spectral analysis）を使用して処理され、異なる周波数帯域の振動活動を抽出しました。
b) 振動バーストの検出
瞬時の非定常振動イベントを捕捉するために、研究者は時間、周波数、および皮質深度に基づく局所的なパワーの最大値検出アルゴリズムを開発し、V1中の振動バースト（oscillatory bursts）を識別しました。これらのバーストは、狭帯域ガンマ（narrowband gamma, nb-gamma, 50-70 Hz）、低ガンマ（low-gamma, 20-40 Hz）、L4イプシロン（80-180 Hz）、およびL5イプシロン（100-180 Hz）の4つのカテゴリに分類されました。
c) 視覚特徴の抽出
研究者は、自然画像と動画から局所的な明るさ、空間周波数パワー（spatial frequency power）、および光流（optic flow）などの視覚特徴を抽出し、これらの特徴と振動バーストとの関係を分析しました。
d) ニューロン位相結合の分析
ニューロン活動とLFP振動の位相一貫性（phase consistency）を計算することにより、研究者は異なる振動バーストカテゴリにおける層を跨ぐニューロン活動パターンを分析しました。さらに、電流源密度分析（current-source density, CSD）を使用して、振動バーストの電流源を特定しました。
2. 主な結果
a) 振動バーストと視覚特徴の関係
研究では、異なる振動バーストカテゴリが特定の視覚特徴と密接に関連していることが明らかになりました。狭帯域ガンマバースト（nb-gamma）は局所的な明るさと強く関連し、低ガンマバースト（low-gamma）は光流（特に運動するエッジ）と関連していました。L4およびL5のイプシロンバーストは、局所的なコントラスト（spatial frequency power）と関連していました。
b) 振動バーストの層を跨ぐニューロン活動
振動バーストは特定の皮質層に限定されず、層を跨ぐニューロン活動を調整しました。例えば、狭帯域ガンマバーストはL4で最も顕著でしたが、L2/3およびL5/6のニューロン活動にも影響を与えました。低ガンマバーストは主にL4とL5で観察され、運動するエッジの処理と関連していました。
c) ニューロン位相結合パターン
研究では、異なる振動バーストカテゴリ下でのニューロンの位相選好（phase preference）が明らかになりました。例えば、狭帯域ガンマバーストでは、L4の興奮性ニューロン（excitatory neurons）は振動サイクルの初期段階で発火し、抑制性ニューロン（inhibitory neurons）はやや遅れて発火しました。この位相分離パターンは、異なる刺激条件下で一貫しており、汎用的な神経回路パターンである可能性を示唆しています。
3. 結論と意義
本研究は、自然視覚刺激下でのマウスV1中の局所振動バーストと特定の視覚特徴との関係を明らかにし、「動的神経回路パターン」（dynamic circuit motifs）の概念を提案しました。これらのパターンは、視床-視覚皮質システムが複雑な視覚情報を処理する際の動的調整メカニズムを反映しており、多重化（multiplexed）された視覚情報符号化と特徴特異的な情報伝達をサポートする可能性があります。
研究の科学的価値は、自然視覚刺激下での振動活動パターンを初めて体系的に明らかにし、層を跨ぐニューロン活動の位相調整メカニズムを提案した点にあります。これは、視覚システムの機能に対する理解を深めるだけでなく、将来の研究に新しい枠組みを提供します。例えば、振動活動を通じて視覚内容をデコードしたり、振動に基づく脳-コンピュータインターフェースを開発したりする可能性があります。
研究のハイライト
- 自然視覚刺激下での振動活動：自然視覚刺激下でのV1中の局所振動バーストを初めて体系的に分析し、明るさ、コントラスト、運動などの視覚特徴との関係を明らかにしました。
- 動的神経回路パターン：「動的神経回路パターン」の概念を提案し、異なる振動バーストカテゴリ下での層を跨ぐニューロン活動の位相調整メカニズムを記述しました。
- 種を跨ぐ比較の可能性：研究結果は、視覚システムの振動活動を種を跨いで比較するための新しい枠組みを提供し、異なる種における視覚情報処理の共通原則を明らかにするのに役立つ可能性があります。
その他の価値ある情報
本研究のコードとデータは公開されており、他の研究者がさらなる分析と検証を行うことができます。また、研究では、多プローブ記録技術を使用して分散型ニューロンの振動調整メカニズムを研究したり、閉ループ実験を通じて特定のニューロンタイプが振動の生成と伝播に果たす役割を明らかにしたりするなど、将来の研究方向も提案しています。
この研究を通じて、視覚システムの動的機能に対する理解が深まっただけでなく、将来の神経科学研究のための新しいツールとアイデアが提供されました。