干渉により、ニューロンは情報をエンコードできませんでした

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ビデオ: 【神経系】ニューロンとグリア細胞(構造と働き) 2022, 12月
干渉により、ニューロンは情報をエンコードできませんでした
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16ビーム2光子顕微鏡を使用している科学者は、異なるニューロンで同時に生成されるノイズバーストが、マウスの視覚野にある数千以上の細胞の集団における情報のエンコードを制限することを発見しました。最も強いタイプのノイズは、感覚刺激に関連する活動と重複していませんでした。したがって、システムはほとんどの干渉から信号を保護し、制限要因はより弱いノイズ活動です。記事はジャーナルNatureに掲載されました。

神経細胞は自発的な活動をしており、信号をエンコードするために、電気インパルス自体を使用するのではなく、発生頻度の変化を使用することがよくあります。この場合、ニューロンのノイズは弱い刺激の登録を妨害します。おそらく、神経細胞の情報をコーディングする精度を制限しているのは彼です。ただし、刺激の知覚は、個々の細胞ではなく、ニューラルネットワーク全体の働きに基づいています。異なるセルからの信号を平均化すると、ノイズの振幅を減らし、クリーンな信号を分離するのに役立ちます。またはその逆-同様の特性を持つ個々のニューロンの干渉が同時に発生する場合、必要な信号はさらに抑制されます。

以前は、セル蒸気で発生するノイズのみを調査していましたが、このような実験では、測定誤差が大きくなります。スタンフォード大学のOlegRumyantsevと彼の同僚は、神経集団全体の活動を監視して、ノイズパターンを分離し、コーディング精度への影響を評価しました。これを行うために、科学者は、16個のレーザービームが4平方ミリメートルの領域でマウスの視覚野の領域をスキャンする2光子顕微鏡を作成しました。

研究者らは、視覚刺激(斜めのコントラストストライプ)が提示された5匹のマウスのニューロンの活動を観察しました。このために、カルシウムイメージングが使用されました。このイメージングでは、ラベルが細胞の細胞質内の遊離カルシウムに結合し、蛍光を発し始めます。蛍光が明るいほど、カルシウム濃度が高くなります-神経細胞の活動の明確な指標です。各動物は同時に1000から2000のニューロンを観察することができました。

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a-マウス視覚野、b-視覚刺激

異なるセルのノイズスパイクが同じであるかどうかを評価するために、個々のニューロンの応答をコンピューターモデルでの試行間で交換しました。この場合、刺激に対する個々の反応は同じままであり、ノイズの一致は除外されました。次に、科学者は、さまざまな方向(縦軸から30度)に傾いた縞模様への応答に基づいて、神経集団による刺激の認識の指標を計算しました。

合計で、8000を超えるニューロンが、主に一次視覚野で5匹の動物に記録されました。これらのうち、約5000個の細胞が刺激に少なくとも弱く反応しました。同時に記録されたニューロン間のノイズの正の相関係数は大幅に異なりました。2つの刺激に同様の方法で応答したセルでは、ノイズの相関は平均して2倍高かった。個々のニューロンの応答が試行間で混合された場合、ノイズ相関係数はゼロに等しくありませんでしたが、その分布は狭くなりました。これは、ノイズの影響を観察するためには、多数のニューロンを登録する必要があることを示唆しています。

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ニューロンのペアの相関係数の分布。緑は実際のデータであり、オレンジは試行の間に混合されています

神経集団は、その提示の最初の500ミリ秒の間に刺激を放出し、その後、認識指数はプラトーに達し、視覚信号が消えるまで一定のままでした。おそらく、脳はニューロンの活動を経時的に要約することにより、ノイズバーストの影響を中和します。人口サイズが約1000ニューロンを超えると、刺激コーディングの精度はプラトーに達しました。ノイズの正の相関関係がなかった場合、新しいセルごとに情報転送の品質が向上します。

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刺激提示後の時間における認識係数

最大振幅のノイズベクトルは、視覚信号をエンコードした神経活動に垂直であることが判明しました。したがって、システムは、ほとんどのノイズ干渉からコーディング精度を保護します。制限要因は、クリーンな信号から分離できない弱いノイズスパイクです。それらのために、情報は大きなサイズのニューロン集団で飽和しています。

二光子顕微鏡は、動いている動物でも、個々のニューロンの活動をリアルタイムで記録することを可能にします。動物が迷路の中にいるときに細胞集団を研究することもできます。このため、マウスは仮想現実に配置され、回転するボールに沿って移動します。

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