小鳥の歌が解き明かす「言葉の謎」：脳の音声学習回路の「配線図」を初解明

 テキサス大学サウスウェスタンメディカルセンター（UTSW）の神経科学准教授であり、ピーター・オドネル・ジュニア脳研究所の研究員でもあるトッド・ロバーツ博士（Todd Roberts, PhD）は、そのキャリアを鳴禽類の研究に捧げてきました。彼の最新の研究は学術誌『eLife』に掲載され、鳴禽類の脳の重要な領域における相互接続された回路の初の「配線図」を報告しました。これは、音声学習がどのように起こるかについての重要な洞察を提供し、研究者がヒトの音声に関するより良いモデルを開発するのに役立つ可能性があります。このオープンアクセス論文は「Synaptic Connectivity of Sensorimotor Circuits for Vocal Imitation in the Songbird（鳴禽類における音声模倣のための感覚運動回路のシナプス接続）」と題されています。 

「学習による発声は、脳内の相互接続された複雑な感覚運動回路によって制御されていますが、これらの異なる感覚経路と運動経路がどのように互いに『対話』しているかの詳細は、標準的なアプローチでは解明が困難でした」と、神経科学のインストラクターであるマッシモ・トルーセル博士（Massimo Trusel, PhD）と共同で研究を率いたロバーツ博士は述べています。「この研究は、音声学習に不可欠な中核的な感覚運動経路内の接続性を、細胞タイプ特異的に機能マッピングした初めてのものであり、新たな境地を切り開くものです」。

ロバーツ博士とトルーセル博士らのチームは、米国でペットとして飼われることも多く、音声学習の研究で最もよく用いられるモデル種であるゼブラフィンチを用いて研究を行いました。何十年もの間、研究者たちは鳥類の脳の「HVC」と名付けられた領域がさえずりにとって極めて重要であることを知っていました。この領域を損傷すると鳴禽類の歌う能力が著しく損なわれ、除去すると歌の生成が妨げられます。これまでの解剖学的研究により、HVCはハブのように機能し、4つの脳領域から電気的入力を受け、他の3つの脳領域に電気的出力を行っていることが示されていました。しかし、これらの入力回路と出力回路が、このハブを通じて情報を転送するためにどのように配線されているかは不明でした。

このプロセスに光を当てるため、UTSWの研究者たちは光遺伝学的回路マッピング（optogenetic circuit mapping）と呼ばれる技術を用いました。この技術では、標的となるニューロンに遺伝子を挿入し、その活動を光で制御できるようにします。HVCに入力を送る個々のニューロン群を刺激し、次に出力側のニューロンの電気的活動を測定することで、どのニューロンが互いに通信しているかを確認することができました。

 彼らの発見は、入力回路が出力回路とどのように配線され、このハブを通じて情報を転送するかに、予想以上に高い特異性があることを明らかにしました。ある入力経路（インターファシアリス核と呼ばれる脳領域）の接続マッピングでは、それがHVC内の3つすべての出力ニューロン群と通信していることが示されました。別の入力経路（ウワエフォルミス核と呼ばれる脳領域から）は、HVC内の1つの出力経路とのみ通信します。3番目の入力（内側大細胞核と呼ばれる領域から）は、ウワエフォルミス核が無視した2つの出力経路と強く通信するという、鏡写しのような接続性を示しました。4番目の入力経路（アバランシェ核と呼ばれる領域から）は、1つの出力経路と強く通信し、他の2つとはよりまばらに通信していました。 

驚くべきことに、研究者たちはこれらの入力経路のうち2つが互いに直接通信していることも発見し、このよく研究された回路内にこれまで知られていなかった接続を明らかにしました。研究者たちは、この新たに発見された接続を将来の研究で調査する予定です。また、このシステムの個々の部分を操作することがゼブラフィンチの歌唱行動にどのように影響するかを研究し、この詳細な回路図を用いて、音声の学習と生成におけるこれらの脳領域の機能を計算モデル化することも計画しています。

 この研究に貢献した他のUTSWの研究者には、大学院生研究員のジラン・チャオ氏（BS）、研究技術員のイーサン・マークス氏（BS）、そしてロバーツ研究室の元大学院生であるダニヤル・アラム博士（PhD）が含まれます。

ロバーツ博士は、UTSWのトーマス・O・ヒックス医学研究奨学生です。

[News release] [eLife article]