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Jul 03, 2023

呼吸は前線部でガンマ同期を組織します

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8529 (2023) この記事を引用 1439 アクセス 20 Altmetric Metrics の詳細 複数の認知操作がガンマ線の出現に関連している

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8529 (2023) この記事を引用

1439 アクセス

20 オルトメトリック

メトリクスの詳細

内側前頭前野 (mPFC) でのガンマ振動の出現には複数の認知操作が関連していますが、このリズムを制御するメカニズムについてはほとんどわかっていません。 猫の局所電場電位記録を使用して、周期的なガンマ線バーストが覚醒時 mPFC で 1 Hz の規則性で再発し、呼吸サイクルの呼気相にロックされていることを示します。 呼吸は、mPFC と前頭前野と海馬を繋ぐ視床再結合核 (Reu) との間のガンマ帯域の長距離コヒーレンスを組織します。 マウス視床の in vivo 細胞内記録により、呼吸タイミングが Reu のシナプス活動によって伝播され、前頭前野におけるガンマ バーストの出現の根底にある可能性が高いことが明らかになりました。 私たちの発見は、認知動作の重要なネットワークである前頭前回路全体にわたる長距離ニューロン同期の重要な基盤として呼吸を強調しています。

前頭前皮質 (PFC) は、さまざまな皮質構造および皮質下構造からの入力を統合する解剖学的ハブです1。 PFC 出力の多くは往復運動します 1 が、直接的な前頭前野フィードバック投影が見つかっていない海馬求心路 2,3 を例外とします。 視床正中構造である再会核（Reu）は、PFC と海馬の間に重要なリンクを提供し、複数の認知操作を媒介する機能ネットワークを形成します。 このネットワークにおける正確な領域間の同期は記憶プロセスに不可欠であり、さまざまな意識状態の間に現れる振動によって主に促進されます7、8、9。

ガンマリズム (30 ～ 80 Hz) は、覚醒した脳 10 で顕著であり、前頭前野ネットワークの正常な生理機能 11 と病態生理学 12 において重要な役割を果たしています。 それは意識 13、注意 14、記憶 15,16 などの高次機能と一貫して関連付けられており、これは前頭前皮質機能におけるその基本的な役割を示しています 11,17。 皮質活動を組織化するガンマ線の能力は、連続するサイクル内で複数のニューロンの同時活性化に最適なウィンドウを提供するその 25 ミリ秒周期と密接に関連しており、局所的なニューロン集合体の形成を促進します 18,19。

最近、呼吸が皮質および海馬の活動の強力な調節因子であることを示す証拠が蓄積されている20、21、22、23、24。 げっ歯類 21,25,26 およびネコの大脳皮質 27 では、呼吸によりガンマ振幅が調節され、呼吸関連の皮質リズム (RR) が引き起こされます。これは前頭部でより顕著になる傾向があります 20,21,28。 呼吸が前頭前野ネットワークのガンマ同期をどのように組織するかは不明です。 Reu は PFC と海馬間の長距離ガンマ同期を媒介することが示されており 29、おそらく呼吸に関連していると考えられる PFC 30 における遅い電位の出現に必要であると思われます 31,32。 したがって、我々は、Reu を介して中継される呼吸信号が前頭前野ネットワークのガンマ同期を組織していると仮説を立てました。 ニューロンの興奮性の劇的な変化と、警戒状態による異なる脳リズムの出現を考慮して、我々はさらに、呼吸とガンマの結合が脳の状態によって調節されるという仮説を立てました。

前頭前野ネットワークにおけるガンマ同期の動態を研究するために、猫のmPFC、正中視床、腹側海馬の深層から頭部固定構成で局所電場電位（LFP）を記録しました（補足図S1aおよびS1b）。 動物は、2〜4時間のセッションにわたって、静かな覚醒、非急速眼球運動（NREM）、および急速眼球運動（REM）睡眠の期間を繰り返しました（補足図S1cおよびS1d）。 さらに、麻酔をかけたマウスの視床正中線と前頭前皮質の in vivo 細胞内記録を実行しました（図4および補足図S4a）。