【自分用】Itch perception is reflected by neuronal ignition in the primary somatosensory cortex

ハイライト
・著者らは新規小型2光子顕微鏡デバイスを用いた自由行動下におけるS1のかゆみ関連神経活動を評価した。
・かゆみに反応するS1錐体ニューロンは二つの活動パターンに分類できる。
・本研究で得られた一部の発火パターンは、グローバルニューラルワークスペース理論で予測されるものと一致した。

Introduction

PETやfMRIなどを用いた初期のヒト研究では、S1を含む皮質領域の多くが、末梢に適用された掻痒刺激によって活性化される。S1は痒み感覚の時空間的および強度の側面をエンコードしていると言われている。単一ユニットの電気生理学的記録を用いて掻痒刺激に対するS1ニューロンの反応を調べた最近の研究では、S1ニューロンは興奮を示したが、いずれも麻酔下における実験であり、覚醒下における痒み知覚の根底にあるメカニズムはほとんどわかっていない。

感覚情報の意識的知覚への変換は、認知神経科学の活発な研究分野であった。以前の研究より、接触知覚におけるS1の多様な活動パターンが明らかになっているが、初期の研究の動物は全てトレーニングを施されたものであり近くプロセスに関連するS1ニューロンの応答特性を変更する可能性がある。本研究では、動物が主観的知覚を示すためのトレーニングは必要ない。

本研究では、新規小型2光子顕微鏡（mini-2P）を用いて、自由行動下における単一細胞解像度でS1のかゆみ知覚コーディングを調査した。

Results

S1における痒み知覚の表現

本研究では、S1の幹領域（S1Tr）にAAV-CaMKⅡ-GCaMP6sを注入した。

まず、クロロキンの皮内投与により誘発される掻き動作に対する解析を行った。すると記録されたニューロンの14.5%が掻き動作の開始付近で活性化していた。

ただし、これらの活動が掻き動作により誘起される触覚や痛覚などによるものである可能性がある。これらによる活性化は掻き動作の後に起こるものであるため、各ニューロンの応答のlatencyを解析した。すると応答ニューロンの50％弱が掻き動作前に活性化していることが分かった。
さらに、応答性ニューロンは掻き動作のオフセット直後に活動を低下させた。

次に、S1Trニューロンが掻き動作を予測できるかゆみ情報をエンコードしているかどうかを判断した。そこでスクラッチトレインの開始の2秒前に記録されたS1Trニューロンの活動を使用して、受信者動作特性（ROC）分析を実行した。

ROC分析
モデル予測の正確度を評価するための有用な方法。任意の ROC 曲線の下の全面積 (AUC) により、 検定変数の観測時に予測が正しい並び順になっている確率を表す重要な統計量が与えられます（１に近いほど判定可）。
https://www.cresco.co.jp/blog/entry/15337/

画像化されたすべての S1Tr ニューロンの 10.8% (58/537) の掻き動作前の活動は、実際に掻き段階と非掻き段階を区別でき、これらの S1Tr ニューロンが掻き動作を予測するのに十分な情報をエンコードしたことを示した。
さらに、識別性の高いニューロンについて応答のピーク時間に基づいて 2 つの応答パターンを示した 。タイプ I ニューロン (82.8%) は、活動の漸進的な増加を示し、掻き動作後にピークに達しました。これらのかゆみ反応性ニューロンと推定されるものは、掻き動作に伴う他の体性感覚入力にも反応する可能性があることを示唆しており、S1ニューロンのポリモーダル特性と一致する。対照的に、タイプ II ニューロン (17.2%) は、掻き動作開始前にピークに達した一時的な活性化のみを示した。これらのニューロンがかゆみの知覚をエンコードする選択的な役割を持っていることを示しています。

光刺激はS1において化学刺激に匹敵する反応を誘起した

GRPR-iCreERマウスの頸髄後角にAAV-Flex-ChrimsonRを注入し、光刺激により掻き動作が誘発されるマウスを作製した。このマウスでS1Trニューロンダイナミクスを解析すると、S1Tr ニューロンの 17.4%が、試行ごとに高い信頼性で視痒刺激に反応した。さらに、これらの応答性ニューロンの大部分 （57.1%) が、掻き動作開始前に活性の上昇を示した。

光刺激が化学的痒み誘発物質と同様のパターンで S1Tr ニューロンを活性化するかどうかを判断するために、光刺激とクロロキンの両方に対する S1Tr ニューロンの同じ集団の反応を調べた。するとS1Tr錐体ニューロンの同程度の割合が、これら2つの異なる掻痒刺激に応答して掻き動作開始付近で活性化された。クロロキンまたは光刺激で定義された個々の反応性ニューロンの約 4 分の 1 が、両方の掻痒刺激に対する反応を示し、これらの反応性ニューロンの反応開始latencyは同等であった。両方の掻痒刺激に反応するニューロンの大部分（66.0％）は、2つの異なる条件下での掻き動作の開始と比較して一致した反応latencyを示し、2種類のかゆみ刺激が一貫して誘発したという考えを支持している。したがって、光刺激性のかゆみは、より優れた時間分解能で、化学的掻痒刺激を模倣する可能性があります。

かゆみ知覚中の一次体性感覚皮質のニューロン発火

かゆみ知覚中のS1Trニューロンの活動パターンを決定するために、検出閾値付近の光刺激に応答したS1Trニューロンの活動を記録した。同じ閾値の光刺激に応答して、S1Trニューロンは掻かない試行よりも掻く試行でより強い活動を示し、この違いは掻き動作前にすでに現れていることを発見した。特に、動物が掻いた試行では、閾値光刺激は、記録されたすべてのS1Trニューロンの約4.4％のみを確実に活性化した。そしてこれらの反応性ニューロンは、掻かない試行よりも掻く試行で掻き動作開始前に有意に強い活動を示しました。かゆみの知覚の生成には、非常に少数の S1Tr ニューロン集団の同時活性化のみが必要である可能性があることを示唆している。対照的に、非常に少数のニューロン (0.5%) は、掻かない試行で同じ光刺激によって活性化されましたが、残りは沈黙したままであった 。これらの発見は、かゆみの知覚が生じるとS1錐体ニューロンの亜集団が動員されることを示していますが、かゆみの知覚の失敗は、有意なS1Trニューロン応答の欠如によって反映される。これは、意識のグローバルニューラルワークスペース理論によって予測されたニューロンの発火と一致しており、再発性の興奮から生じる大規模なニューロンの興奮が関係している。

グローバルニューラルワークスペース理論
・グローバルワークスペース理論を脳科学的に検証できるように発展
・意識にのぼっている情報とは、前頭前野を中心とした脳内に広く分布したニューロン集団からなるグローバル・ワークスペース内の情報にほかならない
　
グローバルワークスペース理論
様々な無意識処理からのぼってくる情報をフレキシブルに保持・処理する神経機構である。無意識処理は、感覚入力・運動出力を担う周辺的な並列的処理に対応し、それらの一部は大脳皮質内にまで及ぶこともある。そこから上がってくる情報の一部は、注意によって選択および増幅されると、グローバル・ワークスペースに入り、他のシステムが自由にアクセスすることができる状態になる。グローバル・ワークスペース内の情報は、長期記憶・運動計画・抽象的な思考などさまざまな認知機能に利用可能であるため、意識にのぼっている情報処理は無意識の情報処理に比べて圧倒的に有用なのだと考えられる。

重要なことに、この発火のような活動は掻いた対掻かない試行中の個々のニューロンの異なる活動パターンによって識別できます。掻き動作が誘発されたという試行で、視的かゆみの閾値刺激に確実に反応するニューロンの中で 、それらのほとんど (16/19、「タイプ I」ニューロン) は、非スクラッチ試験で刺激提示期間中に有意な活動を示さなかった。したがって、これらのタイプ I ニューロンは、「すべてかゼロか」応答パターンを示しました。さらに、ほとんどの応答性ニューロン (16/19) は、掻き動作が始まる前に活動を増加させ、これらのニューロンのかゆみをコード化する特性を確認した 。わずかなニューロン (3/19、「タイプ II」) だけが、これら 2 つの異なるタイプの試行で同等の反応を示した。これは、意識的視覚認識のしきい値で人間の内側側頭葉から記録された視覚刺激誘発ニューロン活動を連想させます。そこでは、知覚は「全か無か」反応パターンによって反映されていました。これらのデータは、S1 がかゆみ知覚の生成に寄与している可能性が高いことをさらに示唆している。

Discussion

本研究では、S1の2/3層錐体ニューロンのサブセットが痒み知覚をエンコードできることを発見した。

閾値での視覚かゆみ刺激に反応して、動物が掻いた試行中にS1Trニューロンの一部が活性化されたのに対し、掻かない試行では非常に少数のニューロンが動員されたことを発見した。これはかゆみ知覚中の S1 錐体ニューロンの選択的活性化を示唆している。集団レベルでは、分離された S1 活動は、同じ掻痒刺激が異なる知覚選択を誘発するという観察によって検出された。これは、他の体性感覚や視覚、知覚研究と同様です。興味深いことに、かゆみが知覚されたとき、S1ニューロンで「全か無か」の反応パターンが観察された。これは、ひげタッチ検出タスクでマウスの二次体性感覚皮質や、視覚刺激に反応した人間の内側側頭葉で観察されるものと同様です。これは、マウスが刺激の存在を報告できなかった場合でも、個々の S1 ニューロンのより小さな程度の活性化が試験で検出されたことを示す以前の研究とは対照的です。学習プロセスが S1 ニューロンの特性の塑性変化を引き起こす可能性があるため、この違いは、異なるパラダイムでのさまざまな程度の動物の訓練に起因する可能性がある。本研究では、マウスがかゆみの知覚を報告するためのトレーニングは必要ありませんでした。これは、引っ掻き反応が自然であり、感覚刺激に対する S1 ニューロンの固有の特性が保持されるため、私たちのパラダイムのユニークな利点です。将来的には、S1神経細胞集団の特定のサブクラスがかゆみ知覚検出のための情報を保持しているかどうか、およびS1によって伝達されるかゆみ知覚情報を受信する下流の脳領域を決定することが重要になります。