SPOUT: An open-source hardware and software platform to study decision making while manipulating and recording from neural activity
本論文では、頭部固定されたマウスの行動の神経メカニズムを研究するために、精密な神経記録と光遺伝学的操作を柔軟な意思決定タスクと統合した、オープンソースで安価なハードウェアおよびソフトウェアプラットフォームであるSPOUTを紹介する。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
マウスがどのようにして左に曲がるか右に曲がるかを決定する仕組みを理解するために、科学者たちは単に動物を観察するだけでは不十分です。彼らは、選択が行われたまさにその瞬間の脳の電気活動を見る必要があり、さらに、その活動を穏やかに刺激して何が起こるかを確認できる必要があります。これには繊細なバランスが求められます。高出力の顕微鏡で個々の脳細胞を観察するために動物は十分に静止していなければならない一方で、タスクを実行するために頭や舌を動かせるほど自由である必要もあります。数十年もの間、研究者たちは、脳を記録し、行動を制御し、精密な光信号を脳に送りながら、すべてにおいて完璧なタイミングを維持できるシステムを構築することに苦心してきました。もし、行動を測定する時計が脳を記録する時計からわずかでもズレてしまえば、行動と思考の間のつながりを解読することは不可能になります。
ハーバード・メディカル・スクールのチームは、この問題を解決するための新しいツールを構築し、「SPOUT」と呼ばれる完全なオープンソースのシステムを作り上げました。名前は「State-machine Platform for Operant Uni/dual-spout Tasks（オペラント単一/二重スパウト・タスクのためのステートマシン・プラットフォーム）」に由来しますが、実際には、マウスが意思決定のパズルを解いている間に、科学者がリアルタイムでその脳を観察できる多才な機械です。このシステムは、高価でカスタムメイドのセットアップに代わる、標準的な部品のコレクションとして、安価で使いやすく設計されています。その核心となるのは、指揮者の役割を果たす小さなコンピューターチップであり、水の報酬の提供、舌の動きの記録、そして脳への光線の照射を、百万分の一秒単位の精度で調整します。
研究者たちは、マウスに単純なゲームを教えることでこのシステムをテストしました。マウスは頭を固定した状態で、2つの小さなチューブの前に座ります。音が鳴ると、マウスは報酬である水の一滴を得るために、左のチューブか右のチューブのどちらかを舐める（リックする）ことを選択しなければなりません。コツは、音がどちらのチューブが正解かをマウスに教えないことです。代わりに、正しいチューブは予告なしに数回ごとに変化します。マウスは、どの選択が報酬につながり、どの選択が何もたらさなかったかを記憶することで、パターンを見つけ出さなければなりません。SPO赴Tを用いて、チームはマウスが何日にもわたってこのゲームを学習していく様子を観察しました。最初はマウスはランダムに推測していましたが、経験を積むにつれて、ミスをした直後に選択を切り替え、勝ち続けている側に固執することを学びました。システムは、あらゆる単一の舐める動作を極めて正確に記録したため、研究者たちはマウスの行動が混乱から自信へと変わった正確な瞬間を見ることができました。
システムが脳を制御することも可能であることを証明するために、科学者たちはオプトジェネティクス（光遺伝学）と呼ばれる技術を用いました。これにより、光を使って特定の脳細胞をオンまたはオフにすることができます。彼らは、運動の計画に関与していることが知られている領域である、前外側運動皮質に焦点を当てました。マウスが選択を行おうとした瞬間に、この部分に青い光をフラッシュさせると、マウスの行動は即座に変化しました。もし光が体の右側を制御する脳の側面に当たった場合、マウスは突然右のチューブを舐めるのをやめ、代わりに左のチューブを舐めるようになりました。これは光が点灯している間のみ発生し、光を消すと効果も消失したため、システムが脳の計画プロセスを正確に中断し、動物の意思決定が崩れていく様子をリアルタイムで観察できることが示されました。
研究者たちはまた、このセットアップを高機能な顕微鏡と組み合わせ、マウスがゲームをしている間に脳細胞の写真を撮影しました。システムが完璧な時間を維持しているため、マウスがチューブを舐めた正確な瞬間と、脳内の数千のニューロンの活動を一致させることができました。その結果、マウスが刺激された脳領域とは反対側に舐めることを選択したとき、同じ側を選択したときよりも脳細胞がより強く発火することが分かりました。これは、これらの特定の脳細胞が、特定の方向への動きを準備する際に、より活発になることを裏付けています。行動、光刺激、および脳のイメージングをこれほどの精度で同期させるシステムの能力により、チームはこれらのパターンを明確に捉えることができました。これは、古い同期の取れていない機器では不可能だったことです。
この研究が特に重要なのは、マウスの脳に関する発見だけでなく、ツールそのものにあります。研究者たちは、SPOUTを構築するためのすべての設計図、コード、および指示書を無料で公開しました。彼らは、複雑で高精度な神経科学の実験を行うのに、数万ドルの費用やエンジニアのチームを必要としないことを示しました。標準的なマイクロコントローラーと既製品を使用することで、彼らは故障することなく数千回のセッションを実行できるほど堅牢なプラットフォームを作り上げました。システムは柔軟に設計されており、基礎となるソフトウェアを書き換えることなく、ゲームのルールや脳の記録の種類を変更することができます。この開放性により、世界中の研究所が同じレベルの精度で同じ実験を実行できるようになり、結果を比較し、脳がどのように意思決定を行うかについての共通の理解を築くことが容易になります。
本研究は、SPOUTが脳の活動と行動のつながりを研究するための信頼性が高くアクセシブルな方法であることを結論付けています。それは、マウスが過去の報酬に基づいた複雑なルールを学習できること、特定の脳領域を一時的に沈黙させてそれらの決定を変化させられること、そしてその結果としての神経活動を高忠実度で記録できることを実証しました。研究者たちは、意思決定の謎を解明したと主張しているのではなく、その問いを投げかけるための明確で再現可能な方法を提供したのです。多くの研究所がこうした研究を行うことを阻んできた技術的な障壁を取り除くことで、チームは、脳がどのように行動を導くのかを、一回一回の正確な「舐める」動作を通じて探求するための、より広い科学コミュニラティへの扉を開きました。
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