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[プレスリリース]大脳神経回路形成の新戦略――大脳皮質の多数の領野を結ぶ結合を効率よく作るための並列モジュール戦略を解明 Press Release: New strategy for cerebral neural network formation――Parallel modules strategy which enables the brain to efficiently form numerous interareal connections of the many cortical areas during development.

東京大学 大学院医学系研究科・Beyond AI研究推進機構(研究プロジェクト:脳情報再現による次世代AI開発プロジェクト / 研究リーダー)・国際高等研究所ニューロインテリジェンス国際研究機構 大木 研一教授、同大 大学院医学系研究科・Beyond AI研究推進機構(同プロジェクト / 研究担当者)村上 知成助教らの研究グループは、大脳視覚野にある多数の領野間結合が、発達時に効率的に形成されるメカニズムを解明しました。

ヒトの大脳皮質には 180 にも及ぶ多数の領野が存在し、これらの領野間を結ぶ数千にも及ぶ精密な神経回路による階層的かつ並列的な情報処理は、私たちの脳が複雑かつ汎用的な知性を獲得するための基盤となっています。従来の神経回路発達の研究では、感覚器から大脳皮質の入り口まで(視覚の場合、網膜から一次視覚野まで)の神経回路形成については詳細に調べられてきましたが、大脳皮質の領野間をつなぐ無数の結合がどのようなメカニズムで 3 次元の脳内で精密に混線なく配線されるのかについてはほとんど分かっていませんでした。

そのメカニズムの一つとして領野の階層性に従ってより低次な領野からより高次な領野へと順に形成していけば混線なく配線できると考えられますが、マウスでは生後から開眼までの 2 週間の間に多数の領野間の結合を全て作る必要があり、このメカニズムでは時間がかかり過ぎでした。それでは、このような複雑な無数の領野間結合を短時間に混線なく形成するためのメカニズムは何でしょうか。

本研究ではマウスの視覚系を用いて、大脳皮質の多数の視覚関連領野間をつなぐ結合が短期間で効率的に形成されるメカニズムを解明しました。まず、領野間結合が形成される前に、網膜と大脳皮質の多数の視覚関連領野をつなぐ経路が先に形成されることを見いだしました。さらに、この経路を伝播する網膜由来の自発活動により、網膜の場所をあらわす情報が多数の視覚関連領野に伝えられ、これが教師信号となって、大脳皮質の多数の視覚関連領野の網膜座標が対応する場所を精密に結ぶ結合が形成されることが示されました。

本研究は大脳皮質の領野間結合の形成メカニズムを明らかにしただけでなく、先天盲や早期失明の病態を理解する上でも重要であり、また汎用的人工知能の開発に寄与する可能性が考えられます。

本研究成果は、2022 年 8 月 3 日(英国夏時間)に英国科学誌「Nature」のオンライン版に掲載されました。

プレスリリース全文(PDF):
https://www.u-tokyo.ac.jp/content/400193638.pdf

<関連リンク>
・東京大学ホームページ(UTokyo Focus)
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/press/
・アブストラクト(論文タイトル:Modular strategy for the development of hierarchical networks in the mouse visual system )
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05045-w

A research team including Professor Kenichi OHKI of the Institute for AI and Beyond, the Graduate School of Medicine and the International Research Center for Neurointelligence (IRCN) of the University of Tokyo and Assistant Professor Tomonari MURAKAMI also of the Graduate School of Medicine of the University of Tokyo has successfully elucidated a new mechanism of the brain by which a complex neural network, including interareal connections in the cerebral cortex, is efficiently formed during development. This is the first study investigating comprehensively how interareal connections among cortical and thalamic regions are formed during development.
 
This study is expected to be applied in the future to treatments for diseases such as congenital blindness and to circuit formation algorithms to improve an artificial intelligence.

The research result was published in the online edition of Nature on 3 August 2022 (UK time).

Professor Ohki and Assistant Professor Murakami are Project Leader and Researcher respectively in the Basic Research Project entitled “Development of next generation AI by modeling brain information ” at the Institute for AI and Beyond.

The full press release (in Japanese only) in PDF.
https://www.u-tokyo.ac.jp/content/400193638.pdf

Related link: UTokyo HP
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/press/

Abstract URL (Title: Modular strategy for the development of hierarchical networks in the mouse visual system)
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05045-w

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