発達期神経回路形成における同期発火の役割の解明

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脳内の情報伝達を担う神経細胞間の結合は正常な脳機能に重要である。1949年に提唱された「同期発火した神経細胞同士は結合する」というHebb則は神経回路研究において重要な仮説であるが、いまだに直接的な証明を行った知見は存在しない。その原因として、慢性的に同期発火を誘導することが困難であること、結合を確認する手法の技術的障壁が大きいことが挙げられる。申請者は新たな同期発火誘導手法の確立・複数細胞同時パッチクランプ技術の習得に加え、同期的でないランダムな発火を誘導する実験系を見出し、この問題を解決した。これにより同期的な発火こそが結合に重要であるというHebb則の直接的な証明に取り組んできた。本研究ではマウス感覚皮質において生後9-13日に毎日1時間の同期発火またはランダム発火誘導を行った個体において、合計3000ペア以上もの細胞間の記録を行い、3週齢で同期発火細胞間の結合確率のみ有意に増加していることを見出した。さらに、結合の電気生理学的特性には有意な差が見られなかったことから、生体内で生理的機能を担う可能性が示唆された。加えて、記録細胞の形態を可視化することで、同期発火誘導により一部のスパインサイズの増大が認められ、結合の増加をミクロスケールでも裏付けることが出来た。次に、方位選択性について、同じ機能を果たす神経細胞の結合確率が高いという過去の知見に着想を得て、同期発火・ランダム発火神経細胞について2光子カルシウムイメージングを用いて方位選択性の類似度を比較した。すると、細胞集団レベルでの表象に差は見られなかったものの、同期発火により方位選択性が上昇することを見出した。本研究は70年以上未証明であったHebb則に直接的に切り込み、さらに、形成された結合が果たす生理的な機能に言及した点で意義深い。