MITの研究者らは、動物の覚醒度と運動レベルに応じて視覚情報の処理方法を変える、これまで過小評価されていた脳回路をマッピングした。マウスを用いた研究で、前頭前野が視覚および運動領域に特化したフィードバック信号を送り、行動状態に応じて視覚表現を締め付けたり緩めたりすることを示した。これはNeuron誌で報告された。
視覚は外界のパッシブな記録ではなく、内部状態によって積極的に形成される、とMITの新研究が示す。
MITのPicower Instituteがまとめた研究では、前頭前野——実行制御の主要ハブ——がマウスにおける一次視覚野（VISp）と一次運動野（MOp）に特化された信号を送ることを報告している。
これらの信号は、動物の覚醒度や運動の有無などの要因に基づいてこれらの領域の動作を調整し、関連情報に優先順位をつけるために視覚の詳細を鋭くしたり鈍くしたりする。
ポスドク研究者のSofie Ährlund-Richterが率い、シニア著者のMriganka Sur（Picower Institute for Learning and MemoryのPaul and Lilah Newton教授、MIT脳認知科学科教授）が主導したチームは、2つの前頭前野サブ領域、眼窩前頭皮質（ORB）と前帯状野（ACA）に焦点を当てた。
ScienceDailyの報告によると、ORBとACAは共に覚醒と運動に関する情報をVISpとMOpに中継するが、その効果は異なる。高覚醒はACAがVISpの視覚表現を鋭くする傾向を強め、特に不確実または検知しにくい刺激に対して顕著だった。ORBは覚醒が非常に高い場合にのみ影響力を発揮し、その関与は視覚符号化の明瞭さを低下させ、強いが関連性の低い刺激への応答を潜在的に抑制した。
「これら2つのPFCサブ領域は互いにバランスを取っているようなものです」とÄhrlund-Richterは語る。「一方は不確実または検知しにくい刺激を強化し、他方は関連性の低い強い刺激を抑制します。」
これらの経路をマッピングするため、Ährlund-RichterはACAとORBからVISpおよびMOpへの接続の詳細な解剖学的トレーシングを実施した。追加実験では、マウスがローラーで走りながら構造化画像や自然映画を異なるコントラストレベルで観察し、短い空気パフで覚醒を高めた。
これらのタスク中、研究者らはACA、ORB、VISp、MOpの神経活動を記録し、特に前頭前野と後頭部領域を結ぶ軸索沿いの信号に注目した。トレーシングの結果、ACAとORBはそれぞれ標的領域の複数細胞タイプと通信し、独自の空間パターンを示した：VISpではACAが主に層6を標的とし、ORBは主に層5のニューロンと通信した。
伝達情報と神経活動を解析したところ、いくつかのパターンが浮かび上がった。ACAニューロンはORBニューロンより詳細な視覚情報を伝え、コントラスト変化に敏感だった。ACA活動は覚醒レベルを密接に追跡したが、ORBは覚醒が比較的高い閾値に達した時のみ応答した。MOpへのシグナルでは両前頭領域とも走行速度情報を運び、VISpへのシグナルではマウスが動いているか静止かを示し、MOpへは覚醒関連信号と少量の視覚詳細も運んだ。
この通信が視覚処理をどう形成するかを検証するため、科学者らはACAとORBからVISpへのフィードバック経路を一時的にブロックし、それらの入力なしでのVISpニューロン応答を測定した。ACAとORBはマウスの運動と覚醒レベルに依存した特異的かつ対立的な視覚符号化への影響を及ぼすことがわかった。
「この論文の主要結論は：標的指向の投射が標的指向の影響を生む」というのがSurの言葉で、Picower Instituteの報告にある。著者らは、前頭前野のフィードバックモデルが前頭サブ領域と標的レベルで特化しており、各領域が標的特異的皮質活動を選択的に形成する一方でグローバルに変調しないことをデータが支持すると述べている。
Ährlund-RichterとSurに加え、研究チームにはYuma Osako、Kyle R. Jenks、Emma Odom、Haoyang Huang、Don B. Arnoldが含まれる。ScienceDailyの要約によると、本研究はWenner-Gren財団ポスドクフェローシップ、全米衛生研究所、Freedom Together Foundationの支援を受けた。
「Distinct roles of prefrontal subregion feedback to the primary visual cortex across behavioral states」と題された研究は、2025年にNeuron誌に掲載された。