カエル視覚系におけるSTDPによる方向選択性の学習

摘要

シナプス可塑性は，神経細胞間のシナプス伝達効率が変化する現象である。シナプス可塑性によって，神経回路内での情報伝達パターンが変化することで，脳の記憶·学習が達成されると考えられている。スパイクタイミング依存シナプス可塑性（STDP）は，プレニューロンとポストニューロンの発火時刻に依存したシナプス可塑性であり，プレニューロンが発火した直後にポストニューロンが発火することで伝達効率が増大する長期増強（LTP）が生じ，逆に，ポストニューロンが発火した直後にプレニューロンが発火することで伝達効率が減少する長期抑圧（LTD）が生じる現象である（図1(c)）。最近の研究により，STDPがin vivoにおいて方向選択性の学習に関与することが示唆された。方向選択性は，視覚系のニューロンが持つ視覚刺激が動く方向を検知する性質であり，生後まもなくの間に視覚刺激依存的に獲得される。Engertらは，アフリカツメガエルのオクマジヤクシの網膜に一方向に動く刺激を繰り返し提示することで，視蓋ニューロンが方向選択性を獲得することを示した（図1(a)）。しかしながら，神経回路がどのように変化することで方向選択性が学習されるのか，そのメカニズムは明らかになっていない。我々は，すでにSTDPを再現するスパイン内部の生化学反応ネットワークの数理モデル（分子STDPモデル）を構築している（図1(c)）。そこで，本研究では分子STDPモデルを用いて，実験の知見に基づいた網膜視蓋系神経回路のシミュレーションモデルを構築し，視蓋ニューロンが方向選択性を獲得するメカニズムの解明を試みた。