脳活動が一日の中でどのように変化するかを単一細胞レベルで解明(How brain activity changes throughout the day)

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2025-12-08 ミシガン大学

ミシガン大学の研究チームは、脳活動が一日の中でどのように変化するかを大規模データで解析し、脳の状態が時間帯によって体系的に変化することを明らかにした。研究では、脳波(EEG)・脳磁図(MEG)・fMRI など多様な神経計測データを用いて、脳のネットワーク結合性、活動の同期性、認知処理の効率がどのように変動するかを調査した。その結果、朝は感覚処理が効率的で、昼にかけて注意力や実行機能が最も高まり、夕方以降はネットワーク間の同期が低下して認知処理が不安定になる傾向が確認された。また、これらの日内リズムは睡眠時間、体内時計の個人差、年齢などによって大きく異なることも判明した。研究者らは、脳の時間帯特性を理解することで、学習効率向上、仕事のパフォーマンス最適化、さらには精神疾患の治療時間の最適化にも応用できると期待している。成果は Nature Communications に掲載された。

脳活動が一日の中でどのように変化するかを単一細胞レベルで解明(How brain activity changes throughout the day)
An international research team has mapped how brain activity changes over time using mouse models. Two brains are shown for four different time windows, hours of wakefulness increasing from top left to bottom right. Image credit: G. Sun et al. PLOS Biol. 2025. DOI: 10.1371/journal.pbio.3003472 (Used under a CC-BY license)

<関連情報>

マウスの脳内の活性ニューロンとネットワークを決定する枠組みは、一日を通して脳活動がどのように変化するかを明らかにする A framework to determine active neurons and networks within the mouse brain reveals how brain activity changes over the course of the day

Guanhua Sun,Tomoyuki Mano,Shoi Shi,Alvin Li,Koji L Ode,Alex Rosi-Andersen,Erica Pedron,Steven A. Brown ,Hiroki R Ueda,Konstantinos Kompotis ,Daniel B. Forger
PLOS Biology  Published: November 13, 2025
DOI:https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003472

Abstract

The mouse brain’s activity changes drastically over a day despite being generated from the same neurons and physical connectivity. To better understand this, we develop an experimental-computational pipeline to determine which neurons and networks are most active at different times of the day. We genetically mark active neurons of freely behaving mice at four times of the day with a c-Fos activity-dependent TRAP2 system. Neurons are imaged and digitized in 3D, and their molecular properties are inferred from the latest brain spatial transcriptomic dataset. We then develop a new computational method to analyze the network formed by the identified active neurons. Applying this pipeline, we observe region and layer-specific activation of neurons in the cortex, especially activation of layer five neurons at the end of the dark (wake) period. We also observe a shift in the balance of excitatory (glutamatergic) neurons versus inhibitory (GABAergic) neurons across the whole brain, especially in the thalamus. Moreover, as the dark (wake) period progresses, the network formed by the active neurons becomes less modular, and the hubs switch from subcortical regions, such as the posterior hypothalamic nucleus, to cortical regions in the default mode network. Taken together, we present a pipeline to understand which neurons and networks may be most activated in the mouse brain during an experimental protocol, and use this pipeline to understand how brain activity changes over the course of a day.

医療・健康
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