これらの研究は、細胞内のATP（アデノシン三リン酸）レベルをモニタリングするための新しい蛍光センサーの開発に焦点を当てています。最初の論文では、iATPSnFR2という次世代の遺伝子コード化されたラチオメトリック蛍光ATPセンサーが紹介されており、その改良された特性と、特に神経細胞やミトコンドリアにおけるATPダイナミクスの研究における応用可能性が詳述されています。二番目の論文では、その前身であるiATPSnFR1という単一波長蛍光センサーの作成と特性評価について報告しており、細胞表面および細胞質内のATPイメージングに有用である可能性が示されています。どちらのセンサーも、ATP結合時の大きな蛍光変化と高い特異性を特徴としていますが、pHによる影響を受ける可能性があることも言及されています。これらのセンサーは、細胞エネルギー代謝や細胞シグナル伝達の研究において、高い時間的・空間的解像度でのATP動態の追跡を可能にすると期待されています。

Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 May 21;121(21):e2314604121. doi: 10.1073/pnas.2314604121. Epub 2024 May 15.

iATPSnFR2: A high-dynamic-range fluorescent sensor for monitoring intracellular ATP

Jonathan S Marvin et al

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38748581/

ニューソースの論文は、海馬の神経細胞活動が外部からの感覚情報よりも、行動計画とより密接に関連しているという考え方を提示しています。研究者は、マウスに空間、音、報酬などの手掛かりが混在する課題を与え、海馬の神経活動を記録しました。彼らの発見は、海馬の細胞が音や報酬そのものに直接反応するのではなく、マウスの目標に向けた行動の進行や不確実性によって活動が影響を受けることを示唆しています。この研究は、海馬が環境の抽象的な表現を形成するだけでなく、自発的な行動の計画と実行にも関与している可能性を強調しています。

Nature. 2025 Mar;639(8053):153-161. doi: 10.1038/s41586-024-08397-7. Epub 2025 Jan 8.

Hippocampal neuronal activity is aligned with action plans

Ipshita Zutshi et al

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39779866/

この論文は、特異な結合を持つ蔵本モデルにおける、同期とクラスター形成に関する研究を提示しています。特に、位相の接近によって相互作用が強化される速習ヘッブ型可塑性ルールを適用した一般化された蔵本システムに焦点を当てています。非リプシッツ性の特異な結合を持つシステムの適切性問題を、特異性のサブクリティカル、クリティカル、スーパークリティカルな領域で解析し、特に特異性の高いケースでは解をフィリポフの意味で考慮する必要があることを示しています。さらに、特異なモデルの強力な解を、正規化されたモデルの特異な限界として回復できることを証明し、特異なモデルと正規化されたモデルの両方について、同期ダイナミクスの出現を研究しています。

J Euro Math Soci, Vol. 23, No. 10pp. 3193–3278

Filippov trajectories and clustering in the Kuramoto model with singular couplings

J Park et al.,

https://ems.press/journals/jems/articles/1294839

この研究は、生きたマウスの大脳皮質興奮性ニューロンにおける細胞内ATPレベルが睡眠覚醒状態によって変動することを初めて実験的に証明しています。従来、脳内のエネルギー状態は一定に保たれると考えられていましたが、REM睡眠中にATPレベルが顕著に減少し、覚醒レベルの上昇に伴って増加することが観察されました。さらに、局所的な電気刺激や麻酔下でもATPレベルの低下が見られ、これは脳血流の増加にもかかわらず生じることが示されています。これらの結果は、脳のエネルギー代謝がニューロンのエネルギー需要を常に満たしているわけではなく、生理的なATPレベルの変動が生じていることを示唆しています。また、ATPレベルの変動は皮質全体で同期していることも明らかにされました。

Commun Biol. 2020 Sep 7;3(1):491. doi: 10.1038/s42003-020-01215-6.

Intracellular ATP levels in mouse cortical excitatory neurons varies with sleep-wake states

Akiyo Natsubori et al

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32895482/

この学術論文は、神経ネットワークにおける抑制性フィードバックがニューロン活動の相関を低減する機構について述べています。特に、有限サイズのネットワークにおいて共通の入力によって生じるスパイク活動の相関が、抑制性フィードバックによって効果的に抑制されることを、線形ネットワークモデルの分析とリーキー積分発火ニューロンのシミュレーションを用いて示しています。この「脱相関」機構は、ネットワークの集団活動の変動を抑制することに反映され、興奮性・抑制性の混合ネットワークだけでなく、純粋な抑制性ネットワークでも観察されます。結論として、抑制性フィードバックがスパイク列の相関を低減する主要な役割を担っており、情報符号化と信頼性のある信号伝搬にとって重要であることを示唆しています。

PLoS Comput Biol. 2012 Aug;8(8):e1002596. doi: 10.1371/journal.pcbi.1002596. Epub 2012 Aug 2.

Decorrelation of neural-network activity by inhibitory feedback

Tom Tetzlaff et al

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23133368/

提示された論文は、多体物理システム、特に脳における時空間的な波状活動のダイナミクスに焦点を当てています。著者らは、接続強度に基づいたHopfield-Kuramotoモデルを提案し、位相遅延ではなく、異なる接続強度によって脳波の多様な位相パターンがアトラクターとして符号化されることを示しています。このモデルは、アトラクターとその固有値がいかにモデルの動力学的ランドスケープに影響を与えるか、そして平衡点の安定性と高次元分岐の制御について探求しています。最終的に、このフレームワークがヒトの脳機能MRI信号における主要な波状活動要素を再現し、多体物理システムの時空間パターンアトラクターダイナミクスに対する規範的なモデルを提供できることを実証しています。

Phys Rev E. 2025 Apr;111(4-1):044310. doi: 10.1103/PhysRevE.111.044310.

Brain wave dynamics in a Hopfield-Kuramoto model

Ruwei Yao et al

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40411050/

本研究は、格子細胞が1次元（1D）環境でどのように応答するかを検証しました。格子細胞は通常、2次元（2D）の開かれた空間で周期的な活動パターンを示しますが、1D経路では非周期的な応答が見られます。論文では、この1Dでの応答が2Dの三角格子を直線的にスライスすることによって生成されるという仮説を提唱しています。彼らは、フーリエ解析とギャップ分布の分析を用いて、1D応答が基礎となる2D格子構造を維持していることを示しました。さらに、同じモジュールに属する格子細胞は1Dおよび2D環境で同様の細胞間関係を保持しており、これは1Dと2Dのナビゲーション中、格子細胞ネットワークが同様の計算状態を維持していることを示唆しています。

Neuron. 2016 Mar 2;89(5):1086-99. doi: 10.1016/j.neuron.2016.01.039. Epub 2016 Feb 18.

Grid Cell Responses in 1D Environments Assessed as Slices through a 2D Lattice

KiJung Yoon et al

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26898777/

与えられた文章は、自発的な脳活動が脳の予測能力に不可欠であるという考えを概観しています。この活動は外部刺激に依存せず、さまざまな種や脳の領域で観察されます。神経画像研究と計算研究は、自発的な活動が環境の精神モデルを維持し、洗練させるのに役立ち、タスク中のパフォーマンスを最適化することを示唆しています。レビューでは、自発的な活動とタスク関連の活動の類似性、行動的および内受容的な先行の符号化、そしてこの活動の高い代謝コストという3つの主要な側面を探求しています。これらの発見は、予測が種を越えた脳の基本的な機能であることを強調しています。

Neuron. 2025 May 7;113(9):1310-1332. doi: 10.1016/j.neuron.2025.02.009. Epub 2025 Mar 17.

The predictive nature of spontaneous brain activity across scales and species

Dimakou A et al

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40101720/

本文は、速射性パルブアルブミン陽性（PV+）介在ニューロンとガンマ波（30-100 Hz）が、脳の高次機能に不可欠な役割を果たすことを論じています。これらの介在ニューロンは、その高い活動性と維持に要するエネルギー消費の高さゆえに、代謝ストレスや酸化ストレスに対して脆弱であると説明されています。これらの介在ニューロンの機能不全は、血管性認知症、てんかん、アルツハイマー病、統合失調症など、様々な脳疾患の病態に影響を与える可能性が示唆されています。

Neurobiol Dis. 2016 Jun:90:75-85. doi: 10.1016/j.nbd.2015.08.005. Epub 2015 Aug 16.

The interneuron energy hypothesis: Implications for brain disease

Kann O

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26284893/

提供された文章は、小脳における神経計算、特にプルキンエ細胞（P細胞）の役割に関する神経科学研究について記述しています。この研究では、ヌル空間理論を適用し、個々のニューロンが行動を生成するだけでなく、他のニューロンの望ましくない効果を打ち消すために活動していることを示しています。アカゲザルを用いた実験では、クライミングファイバー入力が各P細胞の効力ベクトルを決定し、これらのベクトルが行動に対する細胞集団の貢献を予測することを発見しました。さらに、分子層介在ニューロンが運動の終了タイミングを予測する入力信号を変換し、この領域における運動制御の神経回路における信号の打ち消しが、特に報酬に関連する運動において重要であることを明らかにしています。

Science. 2025 May 22;388(6749):869-875. doi: 10.1126/science.adu6331. Epub 2025 May 22.

A vector calculus for neural computation in the cerebellum

Fakharian MA et al

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40403076/