日本神戶大學於2023年3月29日宣佈，已經建立了VR成像系統，可以從行動中的老鼠身上測量大腦皮質的廣泛神經活動，揭示了自閉症模型老鼠的皮質功能網絡動力學異常。
該研究由該大學研究生院醫學研究科生理學領域的中井信裕特命助教、內匠透教授《兼理化學研究所生命機能科學研究中心客座主管研究員》、北海道大學研究生院醫學研究院神經藥理學教室的佐藤正晃講師等研究小組進行。
研究成果刊登在《Cell Reports》上。
自閉症是一種有很多未闡明部分的神經發育障礙，其特征是社會性交流的低下，對特定事物表現出強烈的拘泥和反復行動。
自閉症者有顯著的增加傾向，被認為是社會課題之一。
即使是現在，由於自閉症診斷也是以行動特征為基礎進行的，所以從定量的觀點來看還很遠，希望創造新的生物標志物。
近年來，為了明確自閉症者特有的腦功能異常的研究正在進行。
安靜時的fMRI研究表明，幼年自閉症者的腦功能網絡密度增加，成人則下降。
但是，這樣的變化個人差異也很大，另外，由於安靜時的分析，腦功能網絡異常如何影響行動還不清楚。
構建分析跑步機上小鼠皮質功能網絡的VR成像系統
自閉症與遺傳因素有很強的關聯，一般認為拷貝數多型等基因組異常與腦神經病態有關。
最近，為了闡明自閉症的腦神經病態，經常使用模擬人類基因組異常的動物《特別是小鼠》。
研究小組開發了一種VR成像系統，可以實時測量行為中自閉症模型小鼠的腦活動，通過研究腦功能網絡動力學，希望揭示行為時腦內產生的自閉症特有現象。
首先構建了VR成像系統。
將頭部固定的小鼠放在跑步機上，展示屏幕上放映的虛擬空間影像。
虛擬空間準備了再現實際小鼠行為實驗中使用的場的東西。
由於跑步機的運動反映在視頻中，所以小鼠可以自由地搜索虛擬空間。
在運動量等行為測量的同時，進行經顱鈣成像，實時測量大腦皮質廣泛的功能領域活動。
為此，使用在神經細胞中表達鈣傳感器蛋白《GCaMP》的轉基因小鼠。
另外，建立了皮質功能網絡動力學的分析方法。
根據從鈣成像獲得的1秒神經活動數據計算功能領域之間的相關性，並使用圖表理論可視化功能網絡。
基於小鼠自發開始或停止運動的定時，分析前後3秒鐘的時間段，並檢查每個時間窗的網絡特性。
結果表明，隨著運動開始，網絡的結構發生變化，模塊性增加。
另外，發現隨著運動停止，網絡結構回到靜止時的狀態。
這樣，成功地可視化了從靜止狀態切換到運動狀態、從運動狀態切換到靜止狀態時的網絡動力學。
自閉症模型小鼠，運動開始後皮質功能網絡模式發現差異
然後，使用該VR成像系統分析自閉症模型小鼠大腦皮質功能網絡。
實驗使用15q dup小鼠，其被建立為世界上第一個復制的多型自閉模型小鼠。
15q dup小鼠跑步機的運動量降低，VR空間上的移動距離降低。
調查皮質功能網絡，發現運動開始後的網絡結合變得緊密，網絡中心性減少，而且功能網絡的模塊性降低。
利用機器學習高精度判別自閉症模型小鼠成功
由於這樣網絡模式存在差異，因此使用作為機械學習之一的支持向量機，嘗試通過皮質功能網絡識別自閉症模型小鼠。
學習多個15q dup小鼠和野生型小鼠的網絡模式，判別另一個個體的測試數據是否為自閉症模型小鼠，結果以78～89%的精度判別成功。
該結果表明，行動時的腦功能網絡中包含關於自閉症識別的通用性高的信息。
另外，調查了腦中哪個信息被重視，特別是運動野的功能性結合對自閉症模型小鼠的識別很重要。
綜上所述，在自閉症模型的15q dup小鼠中，運動時的皮質功能網絡變得緊密，模塊性降低。
另外，明確了通過使用機器學習，能夠根據與行動變化相關時的皮質功能網絡模式高精度地判別自閉症模型小鼠。
期待病態的主要原因闡明和生物標志物的創造
自閉症模型小鼠腦功能網絡的特點是，運動野的功能性結合對自閉症的判定至關重要。
今後，通過詳細研究這些解剖學結合和神經生理，可以闡明運動野和其他哪個腦區域的網絡成為自閉症病情的主要原因。
另外，通過進行行動時的自閉症的腦功能網絡動力學研究，期待為自閉症診斷創造新的生物標志物。
在這次的研究中，通過分析從行動中的小鼠記錄的大范圍皮質活動，可以可視化腦的皮質功能網絡以行動依存性動態變化的樣子。
VR成像系統的虛擬空間再現了在現實世界中進行的鼠標行動課題字段。
在VR中，可以構築利用視覺、聽覺、嗅覺等多個感覺信息的多模態環境。
研究小組說：『自閉症患者的主要症狀是社會性交流的下降，所以將來想在虛擬空間構築小鼠的社會環境，調查自閉症模型小鼠進行社會行動時的腦功能網絡動力學是怎樣變化的』