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KAIST、脳波の生成変調をつかさどる神経回路のメカニズムを解明

頭脳治療などの医療技術開発に寄与の見込み


大徳所在のKAIST(シン・ソンチョル総長)はバイオおよび脳工学科のチョ・グァンヒョン教授研究チームが脳波の生成と変調を担当する核心神経回路のメカニズムを解明したと11月14日に発表した。

脳の多様な機能は神経細胞(ニューロン)間の複雑な相互作用によりなされる。ニューロンの同時多発的な発火により形成される脳波は脳の活動の状態を知るのにもっとも重要な指標となる。特定の機能を遂行するために領域間の選択的通信が媒介体役割を果たすことが分かっている。また、脳波の異常な生成と変調はさまざまな脳疾患と密接な関係を持っていることが知られている。したがって神経生物学の研究者は脳波の生成と変調の原理を把握することに努めてきた。

しかし脳波の生成と変調は多くのニューロン間の複雑な相互作用により発生する。予測できない創発的特性をもつため既存の神経生物学の実験により原理を解明するには限界があった。研究チームはシステム生物学にもとづく研究方法を用いて脳波の生成と変調の原理を分析した。研究チームはいくつかの脳の領域のうち特に感覚皮質に注目した。

感覚皮質は外部の感覚情報を処理して統合し調節する核心領域であり、いくつかの周波数帯域の脳波と変調を観測することができる。研究チームはネズミの感覚皮質内のニューロンの種類とニューロン間の連結性情報を利用して感覚皮質を構成するニューロンとこれらをつなぐシナプスを数学モデルにより表現した。そして神経回路を構築して脳波の生成変調の過程を分析した。

研究チームは大規模なコンピュータシミュレーションを通じて興奮性ニューロンと抑制性ニューロンで構成される陽性フィードバックと陰性フィードバックの重畳構造が脳波の生成と周波数変調現象の核心回路であることを解明した。研究チームは既存の電気生理学の実験により測定されたニューロン間のシナプスの特定の連結強度が神経回路の脳波の生成変調機能を極大化させ得る最適の組み合わせであることを突き止めた。

今回開発された数学モデルを活用すれば伝統的な生物学の実験では把握が難しかったニューロン間のさまざまな相互作用を理解し神経回路の複雑な設計原理を把握できるものと期待される。研究チームはまたいくつかの脳疾患患者の脳で観測される異常な脳波活動を神経ネットワーク次元で分析し解明できるものと予想している。

研究に当ったチョ・グァンヒョン教授は「システム生物学的な接近による神経回路の構造機能の分析は人工知能の発展にも役立つだろう。自閉症や集中力調節障害などに関連する神経回路の解明、頭脳治療技術の開発など医療技術の開発にも寄与できると思う。これまで脳波の生成変調を担当する核心神経回路は分かっていなかった。ニューロン間の複雑な連結性に隠された設計原理をシステム生物学の研究を通じて突き止めて脳の動作原理を把握する可能性を提示できた」と話している。

研究結果は『Cell Reports』電子版に11月6日付で掲載された。





[2018-11-20]

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