場所細胞の発火頻度適応が連続アトラクタ神経ネットワークにおけるシータ位相シフトを説明する

Alapfogalmak

場所細胞の発火頻度適応が、連続アトラクタ神経ネットワークにおけるシータ位相の前進と後退を自然に説明する。

Kivonat

本研究では、連続アトラクタ神経ネットワーク(CANN)モデルを用いて、自由に動く齧歯類の海馬場所細胞におけるシータ位相の前進と後退の神経メカニズムを明らかにした。

CANNモデルでは、発火頻度適応と外部入力の相互作用により、ネットワークのアクティビティバンプが外部入力の周りを前後に振動する「振動追跡状態」が生じる。この振動追跡状態は、実験で観察されるシータ周期の位置デコーディングの前進と後退を自然に説明する。

具体的には、アクティビティバンプの前進運動は場所細胞の位相前進を、後退運動は位相後退を生み出す。さらに、発火頻度適応の強さを調整することで、位相前進と後退が混在する「二峰性細胞」と、位相前進が優位な「単峰性細胞」の両者を再現できる。

本モデルはまた、T字迷路環境での位置デコーディングの絶え間ない前後サイクリング、場所細胞の発火頻度の速度依存性、海馬活動の一時的な抑制後も続く位相シフトなどの実験結果も説明できる。

以上より、本研究は、海馬におけるシータ位相コーディングのメカニズムの理解に大きく貢献すると期待される。

Statisztikák

場所細胞の発火頻度は、動物の走行速度に線形に依存する。
海馬活動の一時的な抑制後も、場所細胞の位相シフトは継続する。

Idézetek

「発火頻度適応が、連続アトラクタ神経ネットワークにおけるシータ位相の前進と後退を自然に説明する」
「振動追跡状態は、実験で観察されるシータ周期の位置デコーディングの前進と後退を自然に説明する」
「発火頻度適応の強さを調整することで、位相前進と後退が混在する二峰性細胞と、位相前進が優位な単峰性細胞の両者を再現できる」

Főbb Kivonatok

Firing rate adaptation affords place cell theta sweeps, phase precession and procession

by Chu,T., Ji,Z... : www.biorxiv.org 11-14-2022

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.11.14.516400v4

Mélyebb kérdések

海馬以外の脳領域でも同様の振動追跡状態が観察されるだろうか?

本研究で提案された連続誘導体ニューラルネットワーク（CANN）の振動追跡状態は、海馬のみならず他の脳領域でも観察される可能性があります。例えば、前頭前野や皮質部位など、空間情報処理や高次認知機能に関与する領域においても、外部入力と内部ネットワークダイナミクスの相互作用によって同様の振動追跡現象が生じる可能性が考えられます。これらの領域においても、外部情報に対する神経活動の振動追跡が観察されることで、シータ位相シフトやシータ周波数の情報符号化が行われる可能性があります。

発火頻度適応以外の神経メカニズムでも、シータ位相シフトを生み出せるだろうか?

本研究では、発火頻度適応による振動追跡状態がシータ位相シフトを生み出すメカニズムとして提案されていますが、他の神経メカニズムでも同様のシータ位相シフトを生み出す可能性が考えられます。例えば、シナプス可塑性や神経回路のダイナミクスによっても、シータ位相シフトが誘導される可能性があります。さらに、神経細胞の共鳴振動や相互作用による位相同期など、他のメカニズムもシータ位相シフトに寄与する可能性があります。したがって、発火頻度適応以外の神経メカニズムでも、シータ位相シフトを生み出す可能性があることが示唆されます。

本モデルの知見は、空間記憶や意思決定などの高次認知機能にどのように関係するだろうか?

本モデルの知見は、空間記憶や意思決定などの高次認知機能に重要な示唆を与える可能性があります。例えば、海馬のシータ位相シフトや振動追跡状態は、動物の空間ナビゲーションや行動計画において重要な役割を果たしています。このような神経メカニズムを理解することで、動物が環境内での位置情報をエンコードし、将来の行動を計画する際にどのように情報が処理されるかを理解することができます。さらに、本モデルの知見は、高次認知機能における神経活動の時間符号化や情報処理メカニズムに関する理解を深めることができる可能性があります。これにより、将来の研究において、空間記憶や意思決定などの高次認知機能に関連する神経プロセスをより詳細に解明する基盤となるでしょう。