Curr Biol. 2023 Feb 15;S0960-9822(23)00145-8. doi: 10.1016/j.cub.2023.02.006.

Recording electrical activity from the brain of behaving octopus (行動するタコの脳から電気活動を記録する)

Tamar Gutnick 1, Andreas Neef 2, Andrii Cherninskyi 3, Fabienne Ziadi-Künzli 4, Anna Di Cosmo 5, Hans-Peter Lipp 6, Michael J Kuba 7

Affiliations

• ¹Okinawa Institute of Science and Technology, Graduate University, Physics and Biology Unit, 904 0495 Okinawa, Japan; Department of Biology, University of Naples Federico II, Via Cintia 26, 80126 Napoli, Italy. Electronic address: tamar.gutnick@mail.huji.ac.il.
• ²Göttingen Campus Institute for Dynamics of Biological Networks, 37073 Göttingen, Germany; Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization, 37077 Göttingen, Germany; Bernstein Center for Computational Neuroscience, 37073 Göttingen, Germany; Institute for the Dynamics of Complex Systems, University of Göttingen, 37075 Göttingen, Germany; Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences, 37075 Göttingen, Germany; Center for Biostructural Imaging of Neurodegeneration, 37075 Göttingen, Germany.
• ³Bogomoletz Institute of Physiology, Kyiv 01024, Ukraine.
• ⁴Okinawa Institute of Science and Technology, Graduate University, Nonlinear and Non-equilibrium Physics Unit, Okinawa 904-0495, Japan.
• ⁵Department of Biology, University of Naples Federico II, Via Cintia 26, 80126 Napoli, Italy.
• ⁶Institute of Evolutionary Medicine, Faculty of Medicine, University of Zurich, 8057 Zurich, Switzerland.
• ⁷Okinawa Institute of Science and Technology, Graduate University, Physics and Biology Unit, 904 0495 Okinawa, Japan; Department of Biology, University of Naples Federico II, Via Cintia 26, 80126 Napoli, Italy.

Highlights

•First recordings of brain activity from untethered, freely moving octopus
•Electrodes implanted into learning and memory centers of the octopus brain
•Data logger surgically introduced into the animal’s body
•12 h of neural activity synchronized with HD video of untethered behavior

ハイライト

〇つながれていない、自由に動き回るタコの脳活動を初めて記録
〇タコの脳の学習・記憶中枢に電極を埋め込む
〇データロガーをタコの体内へ導入
〇タコの拘束されていない行動の HD 動画と同期した 12 時間の神経活動

Summary

無脊椎動物の中で最も知能が高いとされるタコは、骨格を持たず、8本の柔軟な腕を持ち、その感覚・運動活動は自律的であると同時に、複雑な中枢神経系によって調整されている。タコの脳には非常に多くの神経細胞が存在し、多数の異なる葉に分かれており、その機能は主に切除実験の結果に基づいて提案されている。他の種では、脳活動と行動を結びつけるために、電極を埋め込み、電気活動と動物の行動観察とを直接関連付けることで行われている。しかし、タコは記録装置を固定できる硬い構造物を持たず、また、8本の柔軟な腕を使って体の外側に付着した異物を取り除くため、これまで、何かにつながない状態で自由に行動するタコの電気活動をin vivoで記録することは不可能であった。本発表では、タコに携帯型データロガーを挿入し、the vertical lobe system垂直葉系に電極を埋め込むことで、無麻酔・無手術のタコから最大12時間の脳活動を記録し、同時にビデオ撮影した行動と同期する新しい手法を示す。脳活動では、すべての動物に一貫して現れるいくつかの明確なパターンが確認された。哺乳類の神経組織の活動パターンに類似したものもあるが、2Hzの大振幅振動のエピソードなど、これまで報告されていないものもあります。本研究は、行動するタコの脳活動を記録する実験プラットフォームを提供することで、この驚くべき動物において脳がどのように行動を制御しているかを理解するための重要なステップとなるものである。

Keywords

octopus, octopus neurophysiology, brain activity, infra-slow oscillations, vertical lobe, octopus behavior
in vivo electrophysiology

Discussion

筆者らの研究は、自由に動くミズダコから、植え込み型データロガーを用いて細胞外の脳活動を記録することが可能であることを示している。自由に動く魚類から脳活動を記録する方法は大きく進歩しているが、これらの方法はタコには適応できなかった。タコの腕の操作能力は非常に高いため、データロガーを外套膜背腔内に埋め込む必要があった。このため、また海水という環境のため、記録期間中はロガーへの遠隔アクセスが妨げられ、実験は1回の記録セッションに制限された。しかし、1回の実験で11時間以上の電気生理学的データと運動データを得ることができ、外部IR信号を用いて、サブ秒の精度で行動のビデオ録画と同期させることができる。重要なことは、ホーム水槽を自由に動き回る移植動物の一般的な行動は、ロガー移植によって大きく変化せず、記録されたデータは動作のアーチファクトによって汚染されなかったことである。
防水型ロガーユニットのサイズと形状を考慮すると、この方法は、今回研究したO. cyaneaと同程度のサイズを持つ大型のタコであれば、どの種にも移植可能である。
つながれていない自由に動くタコから初めて脳を記録するために、私たちはよく研究され、容易にアクセスできるMSF-VL複合体をターゲットにした。タコは体が柔軟であることに加え、定位アトラスなどの確立済みプロトコールがないため、再現性のある電極挿入が困難である。ここでは、再構築された成体タコの脳からの測定値をガイダンスとして使用し、すべての電極をターゲット領域に配置することに成功した。同様の測定によって、上食道葉内のより深い脳領域も、適応した電極で標的にできると期待している。
上食道葉の大部分、中でもMSFとVLは、記憶の形成、統合、意思決定に関与していると報告されている。例えば、今回の記録部位の前方にある前頭葉系（図1CとS1A）の一部は、触覚と化学触覚学習に関連している。これらの領域では、トレース研究により、腕や口からの感覚入力を受け、そこから出力線維が感覚器官やVL系にフィードバックする、潜在的な報酬回路も同定されている。一次感覚入力野と下位運動制御野は、腕、胴体、色葉に接続しており、食道下葉に存在する。動物の行動を混乱させることなく、これらの脳深部を標的にできるかどうかは、まだ解明されていない。
これはタコの脳活動と行動を相関させる最初の研究のひとつであるため、幅広い周波数と振幅の時間的あるいはスペクトル的パターンを拾い上げるために、時間周波数解析を用いて脳信号を広い範囲で調べることにした。動物の行動とMSF-VL回路の活動との間に確固とした相関関係が確認できなかったため、この最初の特徴付けはさらに複雑になった。そのため、時折低いバックグラウンド活動の上に現れる、非常に明瞭な活動パターンのみを報告した。これらのパターンの驚くべき特徴の一つは、その大きさである。例えば、脊椎動物では、個々の過渡活動（図S2E）で見ら れたような大きな振幅は、シート状ニューロン集団が、空間的に構造化された入力層に同時入力を受けたとき、例えばCA1でシャファー側枝が刺激されたときに観察されている。海馬と同様に、MSF-VLネットワークは交差線維のマトリックスとして組織化されており、MSFからの多数の並列入力が、密に詰め込まれた数百万のVL介在ニューロンを通過神経支配している。これらは、同じ電極で感知された2つの異なるニューロン集団に由来するのかもしれない。あるいは、このシグナルは、符号や起源が異なる入力を異なる時間に受けた1つの集団から生じている可能性もある。特筆すべきことに、非常に似た時間経過の自発信号が、発達中のヒト由来の神経組織で観察された。
観察された一般的な行動のサブセットに関する規則性は確認できなかったが、これはMSF-VL回路の既知の機能と一致している。このシステムは新しい記憶の定着に不可欠であるが、これらの部位を除去しても、一般行動や運動に実質的な欠陥は生じない。したがって、この方法を視覚学習パラダイムのような標的反復行動と組み合わせて適用することで、MSF-VL回路の機能と視覚的記憶や想起における役割を探ることができると考えられる。
自由に動くタコから脳活動を記録するこの方法は、他のグループによって迅速に適応され、他のタコ種にも拡大される可能性がある。学習や認知から、脳の状態や麻酔、活動サイクル、社会行動や運動制御に至るまで、頭足類研究で現在取り組まれている多くのテーマは、この方法を導入することで大きな利益を得ることができる。

タコの腕には脳がある？8本の腕を動かすタコの謎に研究者たちが迫る (OIST)

https://www.oist.jp/ja/news-center/news/2020/10/29/do-octopuses-arms-have-mind-their-own