Combining ultra-flexible electrodes with two-photon imaging to illuminate brain-wide neural dynamics
本論文は、慢性的に埋め込まれた超柔軟電極と二光子カルシウムイメージングを組み合わせた手法を用い、マウスにおける皮質および皮質下神経活動を同時に記録することで、緩慢な脳状態から高速なリップルイベントに至る脳全体のダイナミクスの調査を可能にするアプローチを提示するものである。
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
脳を、決して眠ることのない、巨大で活気あふれる都市だと想像してみてください。この都市がどのように機能しているかを理解するために、科学者たちは、そのさまざまな街区で繰り広げられている会話に耳を傾ける必要があります。長い間、研究者には二つの主要な「盗み聞き」の方法がありました。一つは、特定の街角に超高速・ハイテクなマイクを設置するような方法です。それは、驚異的なスピードで、すべての言葉（個々の神経細胞のスパイク）を一つ残らず聞き取ることができますが、硬直的であり、一度に一つの小さなエリアしか聞くことができませんでした。もう一つの方法は、都市全体を上空から眺める、巨大でスローモーションなドローンカメラを使うような方法です。それは、交通の流れや地区全体の雰囲気（細胞の集団）を把握し、さらには誰がどのような種類の車を運転しているか（特定の細胞タイプ）さえ特定できますが、個々の言葉を聞き取ることはできませんでした。
大きな課題は、これら二つのツールがうまく噛み合わなかったことです。硬いマイクはかさばり、ドローンの視界を遮らずに配置するのが難しく、またドローンの明るい光が当たると「静電気」や干渉を引き起こしました。つまり、科学者は選択を迫られていたのです。深部の詳細な会話を聞き取るか、あるいは表面のゆっくりとした全体像を観察するか。両方を同時に行うことは滅多にありませんでした。脳の深い部分が表面の部分とどのように会話しているのかを理解することは極めて重要です。なぜなら、それが私たちがどのように学び、記憶し、そしてなぜ時に脳が病気になるのかを解明する手がかりになるからです。
この研究において、研究チームは、この問題を解決するための全く新しいツールを作り上げました。彼らは「超柔軟性テンタクル電極（UFTE）」を開発しました。これは、特殊な素材で作られた、信じられないほど細くて柔らかく、曲がりやすい紐のようなものです。これらは、脳の深く暗いトンネルの中に、周囲の水を乱すことなくそっと下ろしていく、幽霊のように透明で目に見えない釣り糸のようなものだと考えてください。非常に柔らかく細いため、ドローンカメラの視界を遮ることもなく、カメラの明るい光によってノイズが発生することもありません。
研究者たちは、この新しいセットアップを、起きている状態で動き回っているマウスを用いてテストしました。彼らは、脳の深い場所にこれらの柔軟な紐を植え込み、視床（中継ステーション）、海馬（記憶センター）、そして皮質（思考が行われる外層）の音を聞きました。同時に、彼らは二光子顕微鏡（ドローンカメラ）を使用して、活動すると光るように遺伝子操作された外層のニューロンを観察しました。
結果は素晴らしいものでした。柔軟な紐は数週間にわたってその場に留まり、チームが同じ個々の神経細胞を何度も繰り返し追跡することを可能にしました。また、これらの紐は顕微鏡の光による干渉をほとんど受けず、「静電気」は極めて小さく（約3.7マイクロボルト）、実際の脳信号と比較すると実質的に無視できるレベルでした。これにより、彼らはかつてない方法で脳を観察することができました。すなわち、深部にある脳細胞の速く精密な「おしゃべり」を聞き取りながら、同時に表面にある細胞の、光り輝くスローモーションのダンスを観察することに成功したのです。
この統合された視点を用いることで、チームはマウスが何をしているかに応じて、脳の異なる部位がどのように対話しているのかを発見しました。マウスが走ったり警戒したりしているとき、深部の脳領域と表面の領域は、まるでオーケストラを率いる指揮者のように、特定の低次元な方法で同期しているようでした。しかし、マウスが休息しているときは、会話の内容が変わりました。彼らはまた、「リップル（波紋）」、つまり記憶センターにおける非常に速い活動のバーストについても調査しました。その結果、このリップルの最中には、記憶センターが興奮する一方で、中継ステーションと表面はしばしば静まり返ることが分かりました。興味深いことに、リップル中に静かになった細胞は、マウスが走っているときに興奮していた細胞と同じものでした。
この研究は、脳のすべての謎を解明したと主張しているわけではありませんが、これら二つの強力な「聴くツール」と「見るツール」を組み合わせることで、ようやく深部と浅部の脳がどのようにチームとして機能しているかを見ることができるようになることを示唆しています。研究者たちは、この新しい手法が安定しており、信頼性が高く、ノイズや混乱に邪魔されることなく、学習や疾患の過程で脳全体のネットワークがどのように変化するかを研究するための扉を開くものであることを証明しました。
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