研究チームは実験的手法と数学的・計算的解析を組み合わせ、単一細胞レベルで一日を通した脳活動の空間的な移動を示しました。作業は三か国の共同で、ミシガン大学が計算ワークフローを作成し、日本とスイスのチームが実験ツールを開発しました。日本側ではRIKENのHiroki Uedaらが光シート顕微鏡でマウス脳の三次元画像を取得しました。
実験では遺伝子タグ付けにより活動中のニューロンを顕微鏡下で光らせ、数学的解析で時間経過に伴うニューロンやネットワークの追跡を可能にしました。主要な発見は、動物が日内サイクルを進むにつれて脳全体で一貫した活動の移動が起きることです。覚醒時には内側、つまり皮質下層から活動が始まる傾向があり、その後ハブは徐々に皮質表面へ移動しました。研究者らはこれを、時間帯によってどのネットワークが主導するかの再編成と説明しています。
この研究は疲労の理解を目的の一つとし、上級著者のDaniel Forgerは疲労の署名を開発して飛行や外科手術などの準備状態評価に役立てたいと述べています。イメージング手法は人間に直接適用できませんが、共同執筆者のGuanhua Sunは数学的手法が単純であり、EEG、PET、MRIなどのより粗い人間データやアルツハイマー病やパーキンソン病の研究に応用できると述べました。Konstantinos Kompotisは治療薬が脳活動に与える影響を試すため産業パートナーと協力しています。
研究は上級共同執筆者のSteven Brown（飛行機事故で死亡）に献呈され、資金は米国国家科学財団、米国陸軍研究局、Human Frontier Science Programから提供されました。成果は学術誌PLOS Biologyに掲載されました。
難しい単語
- 解析 — データを 数学的に 調べる ため の 方法数学的・計算的解析, 数学的解析
- 追跡 — 対象の 変化や 位置を 続けて 調べる こと
- 再編成 — 構成や 順序が 時間で 変わる こと
- 日内サイクル — 一日の 中で 繰り返す 生物の リズム
- 皮質下層 — 脳の 皮質の 内側 に ある 層
- ハブ — 他と つながる 中心的な 点や 部位
- 署名 — 特定の 状態を 示す パターンや 指標
- イメージング手法 — 体や 脳の 画像を 得る ため の 方法
- 単一細胞 — 一つの 細胞ごとに 観察する 方法や レベル単一細胞レベル
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ディスカッション用の質問
- 研究で示された脳活動の時間による移動は、日常生活や仕事の評価にどのように役立つと思いますか？具体的な例を挙げて説明してください。
- 動物で使われた高精細なイメージング手法を人間に直接使えない場合、数学的手法や粗いデータ（EEG、MRIなど）でどのような利点や限界が考えられますか？
- 疲労の署名を飛行や外科手術の準備評価に使うことについて、利点と注意点をそれぞれ挙げてください。
