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# 生物学# 神経科学

神経電気活動の解析の進展

新しい方法で神経信号解析を通じて脳の活動をよりよく理解できるようになった。

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LPAを通した神経活動の洞LPAを通した神経活動の洞法を提供してるよ。LPAは脳信号を効果的に分析する新しい方
目次

最近、神経科学のデータ収集や公開されるデータが大幅に増えてるんだ。このデータの急増は、研究者にとってユニークなチャンスを提供してる。でも、この豊富な情報から最大限に利益を得るためには、データを効果的に分析して脳の働きについての意味のある洞察を引き出すツールを開発する必要があるんだ。

電気生理学データの理解

脳の電気活動を研究する実験では、科学者たちはよく細胞外の電位を測定する。この測定は、個々の細胞に焦点を当てた顕微鏡的スケールと、細胞の集団を調べる中間的スケールの二つのレベルでの洞察を提供してくれる。

これらの実験中にキャッチされる電気信号は主に二つのタイプに分けられる。数百ヘルツを超える高周波信号はマルチユニット活動(MUA)として知られていて、主に周辺の神経細胞の活動を反映している。一方、数百ヘルツ以下の低周波信号はローカルフィールドポテンシャル(LFP)と呼ばれ、これは記録電極の近くの神経集団で流れる電流を反映しているんだ。

ローカルフィールドポテンシャルの応用

LFPは神経科学で幅広い応用がある。感覚情報がどのように処理されるかを研究したり、運動の計画を理解したり、複雑な思考や推論を調査したりするのに役立つ。さらに、LFPは神経補綴デバイスの開発にも価値があって、個々の神経スパイクの信号に比べて時間的に安定してるからね。

でも、LFPはしばしば十分に活用されなかったり、部分的にしか使われなかったりする。一つの課題は、LFP信号を解釈するのが複雑で、たくさんの神経細胞やさまざまな細胞タイプがこれらの信号に寄与していることなんだ。

LFPの解釈性を高める

研究者たちはLFPの理解を向上させるために大きな努力をしてきた。一つのアプローチは、LFPデータから電流源密度(CSD)を計算すること。CSDは電気活動の局所的な測定を提供して、神経内でイオンがどう動くかを示すことで、細胞群の中で信号がどこから来ているのかを特定するのに役立つ。ただ、CSDの解釈も挑戦があって、例えば、電流源が細胞内の抑制から来ているのか、興奮から来ている再帰電流なのかを判断するのが難しいんだ。

生物物理モデルの役割

研究者たちはLFPをシミュレートするために神経の生物物理的に詳細なモデルにも目を向けている。そうすることで、LFPやCSDを生み出すものをもっとよく理解できるようになってる。このアプローチは、電気信号が単一細胞レベルと集団レベルの両方でどのように現れるかについての洞察を深めているんだ。ただ、これらのモデルを作るのにはリソースがかかって、かなりの計算能力と時間が必要なんだよね。

統計的分解ツール

LFPの解釈の課題に対処するために、科学者たちは独立成分分析(ICA)や主成分分析(PCA)などの統計的分解手法を使っている。これらのツールは、異なる神経細胞集団が生成するLFP信号を統計的パターンに基づいて分離することを目指している。

海馬や体性感覚皮質のような脳の領域からのLFPデータを分析するためにこれらの手法を使うことに成功した例もあるけど、限界もある。PCAやICAの前提が制約になることがあって、得られる結果が観察された信号に寄与している細胞集団の特定にすぐには理解できないことがあるんだ。

ラミナーポピュレーション分析の導入

従来の統計ツールの限界を克服するために、研究者たちはラミナーポピュレーション分析(LPA)という新しい手法を開発した。この手法は厳密な統計的前提ではなく、生理学的原理に基づいている。LPAはMUAとLFPデータを組み合わせて、信号をより効果的に分解するんだ。

LPAでは、最初のステップとして、MUAデータから異なる神経集団とその発火率を特定する。その後、この手法はこれらの集団が記録されたLFPにどのように寄与しているかを分析する。目指すのは、基礎となる回路のダイナミクスのより明確なイメージを作ることだよ。

ラミナーポピュレーション分析の検証

LPA手法をテストして改善するために、研究者たちはマウスの一次視覚皮質の洗練されたモデルを使ってデータをシミュレートした。このモデルは生物学的な詳細度が高く、実験観察を正確に再現するので、LPA手法の検証には素晴らしいベンチマークとなるんだ。

これらのシミュレーションでは、LPAが皮質内の異なる層の位置と発火率をいかにうまく特定できるかを調べた。彼らはLPAがこれらの特性を正確に推定でき、外側膝状体(LGN)や高次視覚領域を含むさまざまな脳領域からの寄与を解きほぐすことができることを発見したんだ。

同期と寄与の分離

分析中に浮かび上がった一つの課題は、異なる神経集団の発火率間での過度な同期だった。神経群が時間的に近くで一緒に発火しすぎると、信号がぼやけて、個々の層や集団の寄与を区別するのが難しくなる。

これに対処するために、研究者たちはLPAが神経集団が組み合わさったときに信号をどれだけよく特定できるかを詳しく調べた。彼らは、異なる脳領域の信号を分離する能力を高め、同期の問題を減らすために手法を調整したんだ。

実験データへのLPAの適用

LPAをシミュレーションで検証した後、研究者たちはマウスの視覚系からの実験データにこの手法を適用した。データはLGNやV1などのさまざまな視覚領域から得られ、マウスは視覚刺激にさらされていた。

LPAを使うことで、研究者たちはこれらの視覚領域における発火率の空間的および時間的プロファイルを推定することができた。彼らはLPAが視覚刺激に応じてさまざまな神経集団の記録されたMUAの重要な特徴を効率的に捉えることができたとわかったんだ。

結果と観察

LPAを使った分析は、脳内のさまざまな構造が視覚処理にどのように寄与しているかに関する重要な洞察を明らかにした。刺激の提示中、LPAは異なる視覚領域において早期かつ重要な反応を特定し、この手法の有効性を示したんだ。

実験的観察とシミュレーションの接続

実験データの結果とシミュレーションからの結果を比較したとき、研究者たちは類似点と相違点の両方を観察した。LPAが神経活動の重要な特徴を特定できる能力が、両方の文脈で強力なツールとなったんだ。

場合によっては、LPAの推定結果と実際の記録との間に食い違いが生じた。このギャップは、正確な神経発火パターンの変動や、シミュレーションに考慮されていなかった外部入力の影響が原因かもしれないんだ。

限界と考慮事項

LPAは大きな期待が持てるけど、使う上での限界もある。たとえば、興奮性と抑制性の神経活動を一つの集団に統合してしまうことで、特定のパターンが曖昧になっちゃうかもしれない。

MUAから発火率を推定する方法の性質も不正確さを引き起こす可能性がある。LPAは時間的プロファイルの推定に効果的だけど、LFPの寄与を分析する際にいくつかの固有の誤差が影響を及ぼすかもしれない。

結論:ラミナーポピュレーション分析の価値

LPAは複雑な神経データを分析するための強力な手法として浮かび上がってきた。異なる神経集団の活動やそれらが脳機能の理解にどう寄与しているかについて貴重な洞察を提供してくれる。LPAを既存の手法と比較すると、脳内の生理学的プロセスとのつながりや解釈が明確であることがわかる。

神経科学の研究が進化し続ける中で、LPAのようなツールや手法は、収集された膨大なデータを理解するために不可欠で、新たな脳の働きについての洞察を解き明かすのに役立つだろう。

全体的に見て、LPAは神経活動の理解における大きな進展を表していて、神経科学の分野での未来の発見への道を切り開いているんだ。

オリジナルソース

タイトル: Uncovering population contributions to the extracellular potential in the mouse visual system using Laminar Population Analysis

概要: The local field potential (LFP), the low-frequency part of the extracellular potential, reflects transmembrane currents in the vicinity of the recording electrode. Thought mainly to stem from currents caused by synaptic input, it provides information about neural activity complementary to that of spikes, the output of neurons. However, the many neural sources contributing to the LFP, and likewise the derived current source density (CSD), can often make it challenging to interpret. Efforts to improve its interpretability have included the application of statistical decomposition tools like principal component analysis (PCA) and independent component analysis (ICA) to disentangle the contributions from different neural sources. However, their underlying assumptions of, respectively, orthogonality and statistical independence are not always valid for the various processes or pathways generating LFP. Here, we expand upon and validate a decomposition algorithm named Laminar Population Analysis (LPA), which is based on physiological rather than statistical assumptions. LPA utilizes the multiunit activity (MUA) and LFP jointly to uncover the contributions of different populations to the LFP. To perform the validation of LPA, we used data simulated with the large-scale, biophysically detailed model of mouse V1 developed by the Allen Institute. We find that LPA can identify laminar positions within V1 and the temporal profiles of laminar population firing rates from the MUA. We also find that LPA can estimate the salient current sinks and sources generated by feedforward input from the lateral geniculate nucleus (LGN), recurrent activity in V1, and feedback input from the lateromedial (LM) area of visual cortex. LPA identifies and distinguishes these contributions with a greater accuracy than the alternative statistical decomposition methods, PCA and ICA. Lastly, we also demonstrate the application of LPA on experimentally recorded MUA and LFP from 24 animals in the publicly available Visual Coding dataset. Our results suggest that LPA can be used both as a method to estimate positions of laminar populations and to uncover salient features in LFP/CSD contributions from different populations. Author summaryTo make the best use of all the data collected in neuroscientific experiments, we need to develop appropriate analysis tools. In extracellular electrophysiological recordings, that is, measurements of electrical signals outside of cells produced by neural activity, the low-frequency part of the signal referred to as the local field potential (LFP) is often difficult to interpret due to the many neurons and biophysical processes contributing to this signal. Statistical tools have been used to decompose the recorded LFP with the aim of disentangling contributions from different neural populations and pathways. However, these methods are based on assumptions that can be invalid for LFP in the structure of interest. In this study, we extend and validate a method called laminar population analysis (LPA), which is based on physiological rather than statistical assumptions. We tested, developed, and validated LPA using simulated data from a large-scale, biophysically detailed model of mouse primary visual cortex. We found that LPA is able to tease apart several of the most salient contributions from different external inputs as well as the total contribution from recurrent activity within the primary visual cortex. We also demonstrate the application of LPA on experimentally recorded LFP.

著者: Atle Eskeland Rimehaug, A. M. Dale, A. Arkhipov, G. T. Einevoll

最終更新: 2024-01-16 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.01.15.575805

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.01.15.575805.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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