脳内のオフィス組織図が行動を整理するのにどのように役立つか

脳内のオフィス組織図が行動を整理するのにどのように役立つか

ソークの科学者は、学習された行動がさまざまな脳細胞の種類によってどのように組織され、制御されているかを発見し、パーキンソン病や強迫性障害についての洞察を提供します

ラ ホーラ - 車で通勤したり、メールを入力したり、ゴルフをしたり、人々は XNUMX 日を通してこのような行動を行います。 しかし神経科学者たちは、脳が複雑な行動をどのように調整したり、新しい行動、つまりパーキンソン病や強迫性障害（OCD）などの疾患で損なわれる行動に切り替えたりする方法をまだ解明していない。

今回、ソークの研究者らは、脳内で行動がどのように組織化されるかについての長年にわたる科学的議論を解決した。 准教授が率いる ジンジン研究チームは、学習された行動が複数のレベルの制御を持つ階層構造に組織されており、行動を制御できない障害に新たな治療標的となる可能性があることを発見した。 雑誌に掲載された作品 セル 28年2018月XNUMX日、この発見をするために複雑な一連の動作を実行するように訓練されたマウスを利用した。

「科学者たちは何十年もの間、脳が行動をどのように組織化するかについて議論してきました」とこの研究の主著者であるジン氏は言う。 「光を使って脳細胞の活動を操作する技術である光遺伝学を使用することで、動物が実行する予定だった個々の行動を変更することができ、この正確なレベルの神経制御を明らかにすることができました。」

靴ひもを結ぶなどの新しい行動を学習すると、線条体と呼ばれる脳領域がかがみ、靴ひもを掴み、結び目を結ぶという一連の動作を調整します。 科学者たちは、この種のステップが連鎖的に組織され、各ステップが次のステップを引き起こすのか（ドミノ倒しのように）、それとも複数レベルの制御を備えたより階層的なシステムが機能しているのか（オフィスの組織図のような）、長い間議論してきました。

ジン氏のチームは数週間にわたって、一連のレバー押しを実行できるようにマウスを訓練した。 左側と右側にレバーが付いている特注の箱の中で、マウスは、左、左、右、右という特定の順序でレバーを押すとおやつが得られることを学習しました。 （チームは、結婚式やパーティーで時々行われるラインダンスにちなんで、このシリーズを「ペンギンダンス」と名付けました。）

マウスがペンギンのダンスシーケンスを実行している間、コンピューターは1つの特定のタイプの脳細胞の活動を記録しました。D2ニューロンとD1ニューロンです。D2ニューロンとDXNUMXニューロンは、線条体の細胞の大部分を占め、学習と行動の実行に関与していると考えられています。 研究者らは、光遺伝学を利用してレーザー光でこれらのニューロンを活性化し、ジフテリア毒素でそれらを不活性化することで、DXNUMX細胞とDXNUMX細胞がどのように行動を制御しているかを特定し、単離することができた。

興味深いことに、D1 ニューロンを刺激すると、マウスは一連のレバー押しをさらに 2 回追加しましたが、DXNUMX ニューロンを刺激すると、マウスは次のレバー押しをスキップしました。

研究者らは、ペンギンダンスのパフォーマンス中の正確な時点でD1またはD2ニューロンを操作することで、そのシーケンスがどのように脳によって学習され組織化されるかをつなぎ合わせることができた。 彼らはまた、行動を駆動または抑制するために連携して働くニューロンの予期せぬ混合物も発見した。

「ニューロンは雪の結晶のようなものです」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校の大学院生であり、論文の筆頭著者であるソーク研究者のクレア・ゲデス氏は言う。 「D1 ニューロンと D2 ニューロンは特定の類似したパターンを持っていますが、すべてがまったく同じことを行うわけではありません。 これらがどのように連携して動きを制御するかには複雑さがあります。」

研究チームは、ニューロン活動における XNUMX つのレベルの制御の証拠を発見しました。 最も低いレベルはアクション シーケンスの各ステップのアクティビティを表し、最も高いレベルはシーケンス全体の開始時または停止時のアクティビティのみを表しました。 中間レベルでは、ニューロンは動物がある動作から別の動作に切り替わる間のみ活動しました。 これは、従業員の上司がすべてのタスクを監督するのに対し、上級管理職はプロジェクトが開始されたか完了したかを主に監視することに似ています。 中間管理者は組織の中間管理者であり、他の XNUMX 人の管理者として機能します。

ジン氏、ゲデス氏、および共著者のハオ・リー氏によると、この研究は線条体における神経細胞の行動の微妙な複雑さを明らかにしており、これは私たちが行う学習した行動がなぜそれほど柔軟であり続けるのかを説明するのに役立つかもしれない、つまり私たちの脳の監督者、中間管理職、上級幹部は私たちの行動を次のように更新することができる絶えず変化する環境における課題に対応します。

ジン氏は次のように付け加えた。「行動神経科学における根本的な疑問に対する長年の議論が解決されるので、この研究には特に興奮しています。 同時に、脳内のさまざまな種類の細胞がどのように私たちの行動を制御しているかを特定することで、さまざまな神経疾患の潜在的な治療法について新たな洞察が得られます。」

この研究は、米国国立衛生研究所 (R01NS083815 および R01AG047669)、ダナ財団、エリソン医療財団、ホワイトホール財団から資金提供を受けました。