pooneilの脳科学論文コメント

■ SFNレポートのつづき

646.2 "TWO-PHOTON CALCIUM IMAGING OF VISUAL CORTEX: ORIENTATION MAPS WITH SINGLE-CELL RESOLUTION" Clay Reidラボ。これは間違いなくすごい。おめでとうございます（1stの方とは同じラボ出身です）。
In vivoでtwo-photonを使うことで、catおよびratでの初期視覚野のorientation mapをイメージングしました。以前からoptical imagingによってintrisic signalやvoltage-sensitive dyeでの膜電位変化測定によって初期視覚野に方位をコードするようなマップがあることが示されています。つまり、たとえば2mm * 2mmの皮質の中で縦棒にいちばん強く反応するニューロンのある領域から斜め45度、そして横棒に反応する領域、というふうになだらかに繋がってまた縦棒に反応する領域まで繋がるような方位地図が初期視覚野にはあります。ほかにも右目からの入力に反応する領域と左眼からの入力に反応する領域とが交互にモザイク状に見える眼優位性マップもありますし、網膜上のどの位置での刺激に反応するかが連続的に表現されているretinotopicマップ、といったいろんな視覚情報の属性が初期視覚野の表面に重ね書きされてマップ（写像）されているわけです。しかしこの2mm * 2mmの領域の中には無数のニューロンがあるわけで、これまでの技術では個々のニューロンの活動ではなくて、それを空間的に平均したような活動としてしか見ることができませんでした。そのような平均的活動と個々のニューロンとを対応付けるためにこれまではoptical imagingをしながらsingle unit recordingをする、とかそういうことをやっていたわけです（たとえば、pinwheel centerでのニューロン活動を記録したScience '97 "Orientation Selectivity in Pinwheel Centers in Cat Striate Cortex" Bonhoeffer）。でも、いちばんいいのは、見たいところの全部のニューロンの活動をモニターすることであるのに決まっているわけです。んで、平瀬さんのセミナー関連でも話題になりましたが、In vivoでtwo-photonを使うことで、生きている個体での脳の情報処理を個々の細胞での活動がわかるような形でモニターする、ということの将来性と可能性に注目していたわけです。私は以前（8/9）こんなふうに書きました、おそらくこれはもう競争であろう、他の方法論で見たものを追試しました、からtwo-photonでなければ見れないものが出てくるまではあと5年はかかるでしょうか、それとも2年で出てくるでしょうか、と。しかしこんなに早く出てきてしまいました。
内容説明を：麻酔下でいろんな方位の視覚刺激を呈示して初期視覚野でのCa動態をtwo photonでイメージングすることで300micron * 300 micron程度の広さの領域の個々のニューロンでのCa動態を調べることで、個々のニューロンの方位選択性を調べたのです。すると、optical imagingで見た方位マップと同様なパターンで個々のニューロンがその位置ごとにある方位をコードしているものから違った方位をコードしているものへと移行してゆくのが見られた、というわけです。
はじめ見たときにはある意味optical imagingの再現だから、もっとこの方法ならではのものを見るためにはと考えていくつか質問（pinwheel centerから記録してないのかとか）したりもしたのですが、ガヤ含む他の皆さんの反応を見て、すでに十分インパクトのある仕事であるのは間違いないと思い直しました。今まで見ていたoptical imagingのマップが個々のニューロンのどういう反応からできているかをみた人などいなかったのですから。けっこう揃っているんだな、というのが印象でした。Interneuronはどのくらいイメージングできているのか、とか個々のtuning width自体はどのくらい違うのだろうか、とか聞きたいことはたくさんありますが、もうこれは論文になってどんどん出てくることでしょう。
それにしてもすごい。このすごさの一端は、in vivoで個々のニューロン測定するには脳の拍動などの動きの問題を解決しなければならないわけですが、optical imagingと違ってtwo photonではニューロン一個分のズレが起こったらもうイメージングのデータは台無しなわけですから、そのへんはかなりシビアなはずで、そこを克服した点にあると思います。それにしても、方位マップを作ることができるということは、眼優位性マップだろうとretinotopic mapだろうと作れてしまうわけです。もうこれはそのへん独走できてしまうのではないでしょうか。Intrinsic signalやVSDによるoptical imagingもこうなると廃業ではないでしょうか。もちろん、optical imagingの全てがすぐのり越えられるわけではないでしょう。Optical imagingでは5mm * 8mmとかかなり広い領域のマップを作れるわけですし、前述のmotion artifactの問題からして、Grinvaldとかがやっているin vivoのawakeのbehaving animalでのoptical imagingの成功というアドバンテージはしばらくは残ることでしょう。また、Caイメージングなので、VSDほどには速い応答を取ることはできません。8/9のryasudaさんのコメントにもあるように、VSD使ってtwo photonというのは難しいようですし。
しかし、時代はここまで来てしまいました。fMRIだってはじめは1Tもないような磁場のマシンをつかっていたのに技術のスタンダード化とマシンの普及とによってどんどん高磁場のマシンができて、より詳細なマッピングが可能になっていきました。同様にしていくつかの点でtwo photonでのスキャニングに関しても進歩が見られることでしょう。来年のSFNではこのへんがどっと出てくるはずです。現在のfMRIによる研究のような盛況になる日が来るかどうかはわかりませんが、behaving animalでの応用、個々の細胞ではなくて細胞内動態を調べる方向性、caged試薬による刺激との組み合わせ、いろんな可能性があります。
ちなみにin vivo two photonで哺乳類で、というあたりで検索すると：

• JNS '04 "High-resolution in vivo imaging of hippocampal dendrites and spines" Katz LC
• PLoS Biology '04 "Calcium Dynamics of Cortical Astrocytic Networks In Vivo." 平瀬さん and Busaki
• JNS '04 "In Vivo Mammalian Brain Imaging Using One- and Two-Photon Fluorescence Microendoscopy." Juergen C. Jung, Amit D. Mehta, Emre Aksay, Raymond Stepnoski and Mark J. Schnitzer
• PNAS '03 "In vivo two-photon calcium imaging of neuronal networks." Arthur Konnerth

あたり。このうち、functional organizationと結びついていると言えるのはArthur Konnerthでのwhisker stimulationですが、これよりも今回の発表はずっとインパクトがあると思います。（追記：ryasudaさんのコメントにもあるように、このへんはもう少し歴史を遡って確認しておく必要がありそうです。）
追記：というわけでリストを補充しておきます。
ryasudaさんご指摘のKarel Svobodaの一連の仕事：

• Nature '97 "In vivo dendritic calcium dynamics in neocortical pyramidal neurons."
• Nature '00 "Experience-dependent plasticity of dendritic spines in the developing rat barrel cortex in vivo."
• Nature '02 "Long-term in vivo imaging of experience-dependent synaptic plasticity in adult cortex."

などなど（Natureのみ選択）。それからkkitaさんによる追加分：

• Neuron '03 "Targeted Whole-Cell Recordings in the Mammalian Brain In Vivo." Troy W. Margrie, Axel H. Meyer, Antonio Caputi, Hannah Monyer, Mazahir T. Hasan, Andreas T. Schaefer, Winfried Denk and Michael Brecht
• JNS '03 "Supralinear Ca2+ Influx into Dendritic Tufts of Layer 2/3 Neocortical Pyramidal Neurons In Vitro and In Vivo." Jack Waters, Matthew Larkum, Bert Sakmann, and Fritjof Helmchen
• PLoS biology '04 "Functional Fluorescent Ca2+ Indicator Proteins in Transgenic Mice under TET Control." Mazahir T. Hasan, Rainer W. Friedrich, Thomas Euler, Matthew E. Larkum, Günter Giese, Matthias Both, Jens Duebel, Jack Waters, Hermann Bujard, Oliver Griesbeck, Roger Y. Tsien, Takeharu Nagai, Atsushi Miyawaki, Winfried Denk

どうもありがとうございます。追記ここまで。
脳機能の解明においての究極は脳（と脊髄と末梢）の全てのニューロンの記録をモニターする、というものですが（この仮想的状態は、そのときに私たちは使えるコーディングとデコーディングのアルゴリズムを持っているだろうか、とかそのときに私たちはその個体を取り巻く環境と環境と個体との相互作用とを全て命題化することができるのであろうか、といった問題とカップルしているのですが）、まだまだそれにはずっと遠いにしても、それへの第一歩であるということは言えると思うのです。