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# 生物学# 神経科学

脳が情報を処理する方法はどう違うのか

霊長類とげっ歯類の脳がどうやって整理されて、コミュニケーションしてるかを見てみよう。

Mélissa Glatigny, Françoise Geffroy, Timo van Kerkoerle

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猿とマウスの脳の構造猿とマウスの脳の構造脳の機能や処理の違いについての洞察。
目次

霊長類の脳、特に新皮質は、いろんな部門が一緒に働くよく整理されたオフィスみたいなもんだ。このオフィスには階層があって、いくつかの部門は基本的な感覚情報を集めるシンプルなタスクに集中してる(郵便室みたいな感じ)、一方で他の部門は意思決定みたいな複雑なタスクを扱ってる(エグゼクティブオフィスみたいに)。

オフィスの層

この脳のオフィスでは、いろんな層がそれぞれの役割を果たしてる。上の層は情報を下の層に送る役割がある。これを、マネージャーがインターンに仕事を指示するみたいに考えてみて。下の層は、その情報を持って戻って、仕事を進めるんだ。

このオフィスには2つの主な接続タイプがある: フィードフォワード接続フィードバック接続。フィードフォワード接続は、基本的な情報が正しい部門に行くことを確保する。フィードバック接続は、上の人たちが下のレベルで何が起きてるかをチェックできるようにする。

なんでこれが重要なの?

この組織は、科学者たちが脳の異なる部分がどうやって相互に作用してるかを理解するのに役立つ。たとえば、各部門(皮質領域)で働く従業員(ニューロン)の数を調べることで、研究者たちはその部門が組織内で果たす役割を特定できるんだ。

科学者たちは、猿やマウスの階層を調べて、脳の構造がどう比較されるかを見てきた。猿では、脳の上位領域がマウスとは異なるタスクを持ってるみたい。これが、私たちの脳がどのように見ることや経験を処理するかを理解するのに役立つ。

大論争: フィードバック vs. フィードフォワード

科学者たちが話し合ってる大きなテーマの一つは、脳内にどれだけフィードバックとフィードフォワード接続が存在するかということ。一部の人は、特に視覚皮質(私たちが見るものを処理する脳の部分)ではフィードバック接続の方がフィードフォワード接続よりもはるかに一般的だと考えてる。例えば、「ねぇ、郵便見てるのは分かってるけど、後のミーティングを忘れないで!」みたいな感じ。

逆に、画像処理のような特定のタスクについては、フィードフォワード接続の方が重要かもしれないって主張する人もいる。郵便室がしっかり仕事してないと、オフィス全体が困るみたいなもんだ。

猿とマウスの違い

じゃあ、霊長類の脳と齧歯類の脳の違いについて話そう。両方とも階層があるけど、研究者たちはマウスの脳はよりフラットな組織になってて、混沌とした働き方をしてると思ってる。つまり、マウスはもっと反応的に働くかもしれないんだ。

例えば、猿には高レベルの意思決定を専門にする脳のエリアがあるけど、マウスは受け取った情報にただ反応してるだけで、あまり処理しないみたい。スナックを見たら飛びつくけど、猿はどうやってスナックに辿り着くかを計画するかもしれない。

これを測ることはできる?

これらの部門がどう働いてるかをよりよく理解するために、科学者たちはさまざまな技術を使ってる。一つの方法は、各部門のオフィスワーカーみたいな特定のタイプのニューロンを見ること。異なるエリアにいる特定のニューロンの数を測ることで、その役割を評価できるんだ。

例えば、あるタイプのニューロンは速い反応に関与してる一方で、他のタイプは遅い、より考えられた反応を扱ってる。こうしたマーカーを使うことで、研究者たちは異なる脳のエリアでどれだけフィードバックやフィードフォワードの活動が起こってるかを見ることができる。

驚きの発見

猿とマウスの研究で、研究者たちは驚くべきことを発見した。猿では、脳の下位エリアが速いフィードフォワードアクションに特化してるのに対し、上位エリアではより複雑なフィードバック操作を扱ってるという明確なパターンがあった。

しかし、マウスでは、接続がこの明確な階層に従っていないことが分かった。より混乱してて、猿よりも整理されていない感じ。

見ることは信じること

科学者たちはこれらのアイデアをどうテストしてるか?彼らはしばしば特定のニューロンが脳のどこにいるかを可視化するためのさまざまな染色法を使ってる。この技術は、塗り絵をしてるのと似てる。ニューロンに染色すると、各エリアにどれだけのニューロンがいるか、そしてどのタイプのニューロンかを見ることができる。

これらのニューロンを数えることで、異なる脳エリアがどのように機能しているかの全体像を得られる。この画像は、各エリアが脳全体の活動にどれだけ貢献しているかを示すのに役立つ。

主要なプレイヤー: インターニューロン

インターニューロンはオフィスのスーパーバイザーみたいなもんだ。彼らは他のニューロン間の情報の流れを管理して、すべてがスムーズに進むようにしてる。これらのインターニューロンにはさまざまなタイプがあって、場所によって特定の役割を果たす。

猿の脳の階層では、これらのインターニューロンの分布が、下のエリアが忙しくて、上のエリアがフィードバック処理にもっと集中してることを示してる。

マウスと猿: 比較

両種を研究した後、研究者たちは猿の脳にはこれらのインターニューロンの分布に明確な勾配があるのに対し、マウスにはそのような秩序がないことを発見した。これは、猿の脳がより複雑な処理に適しているのに対し、マウスの脳はよりシンプルで反応的な構造になっていることを示してる。

これらの種間の行動の違いは、彼らの脳の構造に反映されてる。マウスはフィルターなしで刺激に反応することが多いけど、猿は情報をより批判的に処理できる。

これは何を意味するの?

じゃあ、これらの研究は私たちに何を教えてるのか?まあ、脳がどう機能するかの全体像を描いてる、特に私たちが見るものをどう処理するかに関して。この発見は、猿の脳の初期視覚エリアが上からの影響よりも、むしろ入ってくるデータによって主に駆動されていることを示唆してる。

これまでの考え方に反して、視覚処理は高い脳のエリアによって強く影響されているというわけじゃないみたい。基本的な処理は階層の下の方で行われて、後になって上のエリアが関与するみたい。

結論: 次は?

結局のところ、これらの発見は重要だ。脳の組織や異なるエリアがどう相互作用してるかの洞察を与えてくれる。研究者たちが脳の構造を研究し続けることで、私たち自身の脳だけでなく、猿の脳についても理解が深まるかもしれない。

異なる脳が情報をどう処理するかを見て、科学者たちは認知、知覚、行動のパズルを少しずつ組み合わせている。もしかしたら、次に動物園で猿を見たときには、その好奇心あふれる目の裏にある複雑な脳のオフィスについて思いを馳せるかもしれないね。

オリジナルソース

タイトル: Comparison of the cortical hierarchy between macaque monkeys and mice based on cell-type specific microcircuits

概要: The primate neocortex contains a hierarchy of cortical areas, with feedforward connections running from lower to higher levels, and feedback connections running in the opposite direction. The relative hierarchical position of cortical areas has been well established by retrograde tracing studies that allow to determine whether type of output from different source areas is predominantly feedforward or feedback. This method can not determine whether the cortico-cortical input within target areas is predominantly feedforward or feedback. We here make use of cell-type specific microcircuits to provide an intrinsic measure of the strength of feedforward versus feedback processing within cortical areas in macaque monkeys and mice. This allows a more complete map of the cortical hierarchy of different species, and therefore a more direct cross-species comparison. Parvalbumin-expressing interneurons were used as a marker of feedforward processing and calretinin-expressing interneurons as a marker of feedback processing. We found steep gradients in the distributions of these two interneuron types across macaque monkey cortical areas, indicating a deep cortical hierarchy where early visual areas are dominated by feedforward neural circuits and higher cortical areas become dominated by top-recurrent circuits. In contrast, the gradient in interneuron distribution across mouse cortical areas was limited, indicating a shallow cortical hierarchy and remaining dominated by feedforward neural circuits. This implies that the mouse cortex is comparable to early visual areas in primates, remaining dominated by bottom-up input. While primates are unique in having a deep cortical hierarchy that allows neural processing in higher cortical areas to become predominantly internal. Significance statementThe cortex in primates is known to contain a hierarchy of cortical areas, where bottom-up processing allows sensory information to get more and more compressed towards higher cortical areas, and where top-down processing allows lower areas to remain informed about the internal goals of the animal. However, it has been challenging to directly compare cortical hierarchies between animal species. Here, we developed an intrinsic measure of the strength of bottom-up and top-down processing within cortical areas, based on the density of different types of interneurons within areas. Or results indicate that the mouse cortical hierarchy is shallow and is driven by bottom-up processing, while the primate cortical hierarchy is deep and slowly becomes dominated by internal processing towards the top.

著者: Mélissa Glatigny, Françoise Geffroy, Timo van Kerkoerle

最終更新: 2024-10-31 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.10.31.621258

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.10.31.621258.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた biorxiv に感謝します。

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