適応行動の神経基盤

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シャーレの上に神経細胞を播種し培養すると,細胞は互いにコミュニケーションをとるようになり,自己組織的にネットワークを形成する.さらに,シャーレ上の培養神経回路は,外部刺激に対して,柔軟に活動を変化させる.このような特徴から,培養神経回路は,シンプルな脳のモデルとして注目されてきた.本研究では,培養神経回路においても,生存に不可欠な恒常性を維持するために,外部刺激に対する反応特性が獲得されるのではないかと考え,神経回路のネットワーク特性を調べたうえで,その神経活動パターンの制御を試みた.生理実験では,外部刺激なしで自発的に形成された神経回路を対象とした.まず,CMOSアレイ上で分散培養した神経回路において,各細胞の自発発火活動の測定データから機能的神経細胞ネットワークの特性を解析した.その結果,ネットワークの効率は,局所効率は高いものの,全体効率は低いことがわかった.これらは,分散培養系の自発発火活動の機能的ネットワークでは,in vivoより神経回路のスモールワールド性が弱い可能性を示す。次に,微小電極配列上で培養した細胞にチャネルロドプシン2を導入して光刺激を試みたところ,刺激に同期して回路全体の活動に変化が起きた.単一細胞に対して光刺激をすると,自発活動に比べて,回路全体の発火頻度は約3倍になった.さらに,4個の細胞に刺激を分散させた条件では,刺激頻度により,発火頻度を制御できた.このように,外部刺激なしで形成された培養神経回路は,ネットワークの全体効率が低いにもかかわらず,非常に限局された外部からの刺激に対して,非常に高い感度で反応できることがわかった.