以下の資料は、2019年1月4日にeNeuroに掲載され、Rotem Rehani, Yara Atamna, Lior Tiroshi, Wei-Hua Chiu, José de Jesús Aceves Buendía, Gabriela J., Gabriela J., Gabriela J.が著者として執筆した記事「Activity Patterns in Neuropil of Striatal Cholinergic Interneurons in Freely Moving Mice Represent Their Collective Spiking Dynamics」を要約しています。 Martins, Gilad A. Jacobson, and Joshua A. Goldberg.
ニューロン集団のライブイメージングでは、しばしば個々のニューロンからの信号を取り囲む背景信号が明らかになることがあります。 一般に、このバックグラウンド信号は参考にならない、あるいはエピフェノメノンとして片付けられている。 我々は、運動障害における基底核の機能と機能障害に重要な役割を果たす線条体のアセチルコリン放出性（コリン作動性）介在ニューロンの自由行動下でのイメージングを行った。 重要なことは、これらの介在ニューロンが、線条体を埋め尽くすように、微細な神経細胞の突起がふんだんに密集したニューロピルを生じさせていることである。 このような状況下で、私たちの解析は、ニューロピルから生じる背景信号が、コリン作動性介在ニューロンの集団的な反復活動の「平均場」読み出しであることを明らかにした。
半世紀以上にわたって、臨床医や科学者は、脳の線条体と呼ばれる領域で放出されるアセチルコリンとドーパミンのいわゆるバランスの崩壊が、パーキンソン病やハンチントン病などのさまざまな運動障害の中心的な病的相関関係であることを知っていました。 このアンバランスは、線条体の生化学的、組織学的研究から推論された。 しかし、脳回路の生理的活動においてこのような不均衡があることを示す証拠は不足していた。
最近になってようやく、イメージングと分子の技術によって、自由に動くマウスのドーパミンとアセチルコリンの回路の活動を直接見ることができるようになった。 現在では、コリン作動性介在ニューロンのような特定のニューロンタイプに遺伝子コード化された蛍光マーカーを割り当て、マウスの頭部に装着した小型で非常に軽い蛍光マイクロ内視鏡でその活動を可視化できるようになりました。 この技術により、コリン作動性介在ニューロンの活動をモニターし、自由に動くマウスの線条体でアセチルコリンがどのように放出されるかを理解し始めることができると期待されました。
個々のニューロンからの信号も観察しましたが、自由に動くマウスの線条体のイメージングで顕著だったのは、その周囲を取り巻く背景神経膜信号でした。 それは、個々の神経細胞からの信号よりもはるかに明るい蛍光の束で「光って」いるように見えました。 さらに、このバックグラウンド信号は、線条体神経膜の広い領域にわたって高度に同期し、相関していた。 しかし、最も奇妙な結果は、ニューロピルのシグナルが、個々の細胞体からのシグナルと明らかに関連しているにもかかわらず、それらのシグナルに先行し、それらのシグナルよりも速く減衰したことである
ニューロピルのシグナルの速い動態と個々のニューロンからのシグナルに先行した理由は何だろうか。 さらに、同期したニューロピル信号の意味は何であろうか。 1つの可能性は、バックグラウンド信号がコリン作動性介在ニューロンへのシナプス入力を表し、その反応に先行していることである。 バックグラウンド信号が空間的に同期しているということは、コリン作動性介在ニューロンが共通の入力の束によって同期的に関与していることを意味するのかもしれない。 この場合、ニューロピル信号はフィードフォワード信号と考えることができる。 あるいは、バックグラウンド信号はコリン作動性介在ニューロンのネットワークによって放出された活動電位の総和を表している可能性もある。 これらの活動電位はおそらくニューロピル全体に広がっている。 この場合、ニューロピル信号はフィードバックまたはリカレントコリン作動性ネットワーク信号と考えられる。
高度なイメージングと光遺伝学技術を組み合わせることで、ニューロピル信号は個々のニューロンからの信号に先行するが、それは入力を表さないことを示すことができた。 むしろ、それは多くのコリン作動性介在ニューロンの同時活性化の集団平均を表している。そのほとんどは、細胞体がマイクロ内視鏡の視野外（例えば線条体のより深い領域）に位置するものであった。 しかし、これらの神経細胞は、細胞体付近で活動電位が発生すると、バックプロパゲーションと呼ばれる過程を経て、軸索や樹状突起に沿って移動するため、視野内でその活動を観察することができる。 4369>
コリン作動性神経回路を構成するコリン作動性介在ニューロンの樹状突起と軸索は、非常に密で体積が大きいため、線条体全体からの活動電位が視野で観察される背景信号に寄与しているのである。 ニューロピル信号の速い動態は、直径の小さいニューロンプロセスでは信号の上昇と減衰が速くなるというニューロン生物物理学的な規定によるものである
ニューロピル信号が集団活動の平均を表すなら、細胞体信号が平均信号の半分に先行することを期待できないだろうか。 答えはノーです。 ニューロピル信号は神経細胞のリクルートメントのプロセスを表しているので、視野内の神経細胞が最初にリクルートされたものである可能性は低い。 さらに、線条体の表層を撮像し、コリン作動性介在ニューロンの採用は線条体の深部領域から始まる可能性が高いことを考えると、表層の介在ニューロンが採用されるのは後になってからだと予想される。
ニューロピル信号の「平均場」の性質は、局所電位（LFP）などの集団活動の他の有名な生理指標を連想させる。 LFP信号のエキサイティングな動的特徴の1つは、活性化の進行波を生じさせることが示されていることである。 特に、コリン作動性介在ニューロンの動員は線条体の深部で始まり、そこから広がっていくという我々の仮説に照らして、神経孔信号もコリン作動性介在ニューロンの活性化においてそのような組織化された時空間構造を示すかどうかを確かめるために現在研究中である
コリン作動性神経孔信号の源を明らかにしたが、問題はまだ残っている。 神経孔信号が単なるエピフェノメノン以上のものであることをどのようにして知ることができるのだろうか？ 今後、コリン作動性神経孔信号が、マウスの生得的行動や学習行動、運動行動や連合行動とどのように対応するのかが明らかにされるであろう。 さらに、線条体コリン作動性活性のこのような堅牢な読み出し（おそらく線条体ドーパミン作動性活性のいくつかの同等の堅牢な読み出しと一致する）は、おそらくいつか運動障害における有名なドーパミンアセチルコリン不均衡を定量化するためのバイオマーカーとして機能することができます。 JNeurosciとeNeuroの論文の他の要約は、NeuronlineコレクションSfN Journalsでお読みください。 研究論文サマリー。
自由に動くマウスの線条体コリン作動性介在ニューロンの神経膜における活動パターンは、その集団的なスパイクダイナミクスを表す。 Rotem Rehani、Yara Atamna、Lior Tiroshi、Wei-Hua Chiu、José de Jesús Aceves Buendía、Gabriela J. Martins、Gilad A. Jacobson、Joshua A. Goldberg. eNeuro Jan 2019、6 (1) ENEURO.0351-18.2018; DOI: https://doi.org/10.1523/ENEURO.0351-18.2018
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