Multi-region two-photon calcium imaging in freely moving animals
著者らは、自由行動下にある動物における離れた脳領域間の同時かつ高解像度なカルシウムイメージングを可能にし、それによって自然な行動中の複雑な領域間神経協調を明らかにする、軽量な二色二光子ミニスコープシステムであるMINI2P-IIを導入する。
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
脳は単一の、孤立した指令センターではなく、それぞれが特定のタスクを処理しながら絶えず互いに通信し合う、広大な遠く離れた近隣地区のネットワークです。走る、登る、あるいは歌うといった複雑な行動がどのように立ち現れるかを理解するために、科学者たちは、これらの遠く離れた近隣地区がどのように一斉に活動しているかを観察しなければなりません。数十年にわたり、この活動を観察するために利用可能なツールは、困難な選択を強いてきました。研究者は、自由に動く動物の単一の脳領域を観察するために極小のカメラを使用するか、あるいは多くの領域を同時に聴取するために電極を使用するかという選択を迫られてきましたが、電極はしばしば組織を損傷させたり、時間の経過とともに同じ細胞の追跡を見失ったりしました。生きた組織の内部を驚異的な明瞭さで覗き見るための、個々の細胞の動きを見るためのゴールドスタンダード（標準）は、集束した光を用いて生体組織の深部を観察する「二光子顕微鏡法」と呼ばれる技術です。しかし、この高品質なイメージングに必要な装置は、歴史的に小型の動物が運ぶには重すぎ、その詳細な視界は、鎮静状態にあるか、あるいは固定された機械に繋がれた動物に限られてきました。
研究チームは現在、この重量の壁を打ち破り、動物が自然な状態で自由に動き回っている間も、脳の遠く離れた近隣地区がどのように連携して働くかをリアルタイムで観察することを可能にする解決策を構築しました。彼らは、マウスや小さな小鳥でも自然な行動を妨げることなく運べるほど軽い、わずか1.1グラムの新しいデバイス（超小型顕微鏡）を作成しました。このデバイスを一つの動物に2つ装着することで、科学者たちは、これほどの詳細レベルで2つの異なる脳領域を同時に記録することに初めて成功しました。彼らは、このセットアップが、困難な身体的タスクを実行している間の脳の両半球がいかに協調しているか、近くの脳領域がいかに空間情報を符号化しているか、そして若い鳥の脳がいかに歌を学習するかを研究する上で有効であることを実証しました。この成果は、分散した神経回路の協調的な活動への窓を開き、脳の複雑な会話が、その完全かつ自然な文脈の中で観察できることを示しています。
この成果の核心は、研究者が「MINI2P-II」と呼ぶ新しい顕微鏡自体の設計にあります。従来の二光子顕微鏡を小型化しようとする試みの多くは、画像の品質低下や脳の深部を観察する能力の喪失を招いてきました。新しいデバイスは、光が装置内をどのように進むかを再考することで、この問題を克服しています。多くの別々のレンズや鏡を使用する代わりに、設計者たちはいくつかの機能を単一のコンポーネントに統合し、光の経路を折りたたんで同じ物理的空間に収まるようにしました。また、重い金属部品を軽量なカーボンファイバー素材に置き換え、動物が体をひねったり回転したりしてもレーザー光が安定し続ける新しいタイプの光ファイバーケーブルを採用しました。その結果、前身のモデルの半分以下の重量でありながら、より鮮明な画像、より広い視野、そして脳組織のより深い部分を見る能力を備えたデバイスが誕生しました。決定的なことに、このデバイスはモジュール式であり、システム全体を再構築することなく、異なる部品を交換したりアップグレードしたりすることが可能です。
この軽量なデバイスが、激しい動きの中でも脳の活動を捉えられることを証明するために、研究者たちはマウスに困難な身体的タスクを行わせるテストを実施しました。彼らは、前脚と後脚の精密な協調を必要とする行動である、垂直の梯子を登って報酬を得る訓練をマウスに行わせました。2つのMINI2P-II顕微鏡を使用し、彼らは左右両側の運動野から同時に記録を行いました。データによれば、脳の両側は単に互いを鏡のように反映しているわけではありませんでした。登攀中、右側の脳の活動は、右側が左側に先行して数分の一秒ほど早く発生しており、この複雑な動きのための特定のコマンドのシーケンスを示唆していました。さらに、単なる平均的な活動ではなく個々の細胞に注目すると、登攀中に両側の脳の特定のニューロンのグループが密接なクラスターとして共に発火する一方で、他のグループは反対に発火していることが分かりました。これらの複雑な協調パターンは、片側の脳のみを見た場合や、すべての細胞の活動を平均化した場合には見えないものでした。
研究者たちはまた、この技術が非常に近い距離にある脳領域を研究するために使用できることも示しました。これは、2つの顕微鏡を同じ動物の頭部に載せるとデバイス同士が物理的に衝突してしまうため、以前は不可能だった作業でした。彼らは、特殊なレンズとプリズムで作られた一種の小さなペリスコープ（潜望鏡）である新しい光学アセンブリを開発し、顕微鏡の視界を横方向および下方へとシフトさせました。これにより、マウスの頭部の同じ側に2つの顕微鏡を設置しながら、隣接する2つの異なる脳領域を見ることが可能になりました。このセットアップを用いて、彼らは動物が環境をナビゲートするのを助けることで知られる、レトロスプレニアル皮質（後帯状皮質）と後頭頂皮質から記録を行いました。その結果、両方の領域に動物が壁の近くにいるときに発火する細胞が含まれているものの、レトロスプレニアル皮質の細胞は壁が動物の左側にあるときに発火する傾向がはるかに強く、一方で頭頂皮質の細胞は壁の左右に対してよりバランスの取れた反応を示すことが分かりました。このように、2つの領域が世界をマッピングする方法における微妙な違いは、同一の動物内で両方の領域を同時に記録しなければ検出できなかったものです。
最後に、このデバイスの極端な軽さにより、チームはこれらの研究をより小さな動物や、より若い発達段階へと拡大することができました。彼らは、小型の鳴禽類であるゾナフィンチの脳から記録を行うことに成功しました。成鳥において、彼らは、鳥がメスと交流している間は歌の制御を司る脳細胞は静かなままであるが、鳥が歌い始めた瞬間に活動が爆発することを観察しました。また、歌を学習している最中の幼鳥からも記録を行いました。これらの若い鳥では、鳥が歌っていない時でも脳細胞が活動しており、絶え間ない練習と学習の状態にあることが示唆されました。この、自由に動き回る幼鳥における詳細なレベルの観察は、以前は達成不可能でした。なぜなら、より重い古い顕微鏡では、この小さな動物が運ぶには負担が大きすぎたからです。
このプロジェクトの成功は、神経科学のツールにおける重量とサイズの制限が、克服不可能なものではないことを証明しています。革新的に再設計された顕微鏡と巧妙な光学アクセサリーを組み合わせることで、研究者たちは脳の働きを観察する新しい方法を提供しました。彼らは、脳の複雑な行動が、離れた場所や近くの領域間のダイナミックで協調的な会話から生じることを示し、その会話は、動物が世界の中を自由に動き回っている間でも観察できることを示しました。このアプローチは、科学者が理解しようとしている自然な行動を乱すことなく、神経回路がいかに発達し、学習し、そしてどのように損なわれるかを理解するための強力なレンズを提供しています。
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