自然発生的な網膜波は、視覚野に長距離の水平結合を発生させることができる

Spontaneous retinal waves can generate long-range horizontal connectivity in visual cortex.

• Jinwoo Kim
• Min Song
• Jaeson Jang
• Se-Bum Paik

抄録

高等哺乳類の初等視覚野(V1)では、長距離水平接続(LHC)が発達し、皮質の同調領域の等方性を結ぶことが観察されている。このような特徴に特化した回路の配線が、開眼前にどのようにして発達するのかは不明である。ここでは、V1のLHCが、網膜の自然波から発生する時空間構造化されたフィードフォワード活動に由来している可能性を示唆している。網膜の解剖学的構造と観察された活動パターンに基づいたモデルシミュレーションを用いて、網膜モザイク内を伝播する波は、同様のチューニングのニューロンを共活性化することでLHCの配線を初期化できるが、同等のランダムな活動はそのような組織を誘導することはできないことを示す。シミュレーションの結果、出現したLHCはV1で観察されるようなパターン化された活動を生成し、基礎となる方位マップのトポグラフィーと一致することが示された。また、このモデルは、ネズミの塩とコショウの組織に見られる特徴特異的な微小回路を再現することも可能である。第一次視覚野（V1）では、視覚経験の開始前に長距離水平接続（LHC）が出現し、それによって方位地図の等領域を選択的に接続していることが観察されています。しかし、このような特徴特異的な配線が、どのようにして開眼前に発生するのかは不明である。ここでは、V1のLHCが、発達初期の網膜の自然波による皮質ニューロンの特徴特異的な活性化に由来する可能性を示している。我々の視覚皮質モデルのシミュレーションでは、網膜からのフィードフォワード活動がV1の活動パターンの空間構成を初期化し、それがV1ニューロンに視覚特徴特異的な配線を誘導することが示された。我々のモデルはまた、げっ歯類で観察された皮質微小回路の起源を説明するものであり、提案された発生メカニズムは様々な哺乳類種の回路に普遍的に適用可能であることを示唆している。

In the primary visual cortex (V1) of higher mammals, long-range horizontal connections (LHCs) are observed to develop, linking iso-orientation domains of cortical tuning. It is unknown how this feature-specific wiring of circuitry develops before eye opening. Here, we suggest that LHCs in V1 may originate from spatio-temporally structured feedforward activities generated from spontaneous retinal waves. Using model simulations based on the anatomy and observed activity patterns of the retina, we show that waves propagating in retinal mosaics can initialize the wiring of LHCs by co-activating neurons of similar tuning, whereas equivalent random activities cannot induce such organizations. Simulations showed that emerged LHCs can produce the patterned activities observed in V1, matching the topography of the underlying orientation map. The model can also reproduce feature-specific microcircuits in the salt-and-pepper organizations found in rodents. Our results imply that early peripheral activities contribute significantly to cortical development of functional circuits.Long-range horizontal connections (LHCs) in the primary visual cortex (V1) are observed to emerge before the onset of visual experience, thereby selectively connecting iso-domains of orientation map. However, it is unknown how such feature-specific wirings develop before eye-opening. Here, we show that LHCs in V1 may originate from the feature-specific activation of cortical neurons by spontaneous retinal waves during early developmental stages. Our simulations of a visual cortex model show that feedforward activities from the retina initialize the spatial organization of activity patterns in V1, which induces visual feature-specific wirings in the V1 neurons. Our model also explains the origin of cortical microcircuits observed in rodents, suggesting that the proposed developmental mechanism is universally applicable to circuits of various mammalian species.

Copyright © 2020 Kim et al.