脳形態解析部門では、神経伝達調節メカニズムや記憶の形成・定着メカニズムを研究している。
1) シナプス内グルタミン酸受容体局在とシナプス応答との関係
これまでのAMPA受容体局在解析から、AMPA受容体のシナプス内局在にはほぼ均一にシナプス全体に分布するパターンとモザイク状に分布するパターンの２つがあり、このパターンが入力線維の種類に依存して形成されることがわかってきた。例えば外側膝状体の中継細胞に形成される２種のシナプス（視神経―中継細胞シナプスと大脳皮質―中継細胞シナプス）のうち前者は全体分布型、後者はモザイク型であることが分かった。そこでこれら受容体分布の生理的意義を明らかにする目的で、観察されたシナプス内で起こるグルタミン酸素量放出とAMPA受容体応答のシミュレーションを行いシナプス応答特性を推定した結果、モザイク型分布で素量シナプス応答のバラツキが大きくなるものの、どちらの分布でも受容体数の増加に比例した平均シナプス応答が得られることが予想された。この結果は、個々のシナプスは受容体配置にかかわらず受容体数の変化が忠実に応答強度に反映されるように形成されていることを示唆している。
2) 海馬における長期増強現象（LTP）とグルタミン酸受容体の密度変化
シナプス伝達の長期的な機能変化を定量的に調べるためSDS凍結割断レプリカ標識法により神経伝達物質受容体の局在を個々のシナプスレベルで解析した。LTPを誘導した脳領域を解析したところ、シナプス面積の増加と共にシナプス内AMPA受容体密度が増加している事が明らかとなった。さらに、シナプスが形成される樹状突起スパインとシナプスのサイズ及び受容体局在との相互連関を調べた結果、シナプス機能の増強に伴いスパインサイズとシナプス面積及び受容体数が短時間で増加し、受容体増加にはGluR1サブユニットを含むAMPA受容体が関与することを示す結果を得た。また、シナプス外細胞膜上に存在するAMPA受容体がシナプスへ組み込まれるAMPA受容体の供給元になっていることが示唆された。探索行動後のラット脳を解析した結果、上記LTP実験で得られた受容体レベルの変化が起きることも確認し、LTPと同様なシナプス機能変化が生理的条件下でも起きていることを明らかにした。
3) シナプス-グリア複合環境の動的変化による情報伝達制御
シナプス前終末部から放出された伝達物質は細胞外空間を拡散し、その広がり方に従って、神経細胞間の情報伝達の特性は決定される（Matsui and von Gersdorff, 2006）。伝達物質の拡散を制御し、学習や記憶に重要とされるシナプス辺縁の受容体の活性化を制御できる格好の位置に、グリア細胞が存在する。我々は、シナプス-グリア複合環境の動的変化が、伝達物質濃度の時空間特性にどう影響するのか調べている。これまで、シナプス前細胞からグリア細胞のほうに向けて異所性のシナプス小胞放出があり、これがニューロン-グリア間の素早い情報伝達を担っていることを示してきた（Matsui and Jahr, 2006）。この情報伝達によってグリア細胞の形態や機能が制御されている可能性を、二光子励起イメージングによって解析している。グリア細胞によるシナプスの包囲率の相違が、シナプス伝達にどんな影響を与えるのかを、電気生理学・電子顕微鏡法も組み合わせて解明する。
4) 前脳基底核のシナプス伝達機構と大脳基底核シナプス再生機構
前脳基底核は中枢アセチルコリン性ニューロンの起始核であり、記憶、学習、注意等の生理的機能と密接に関係するとともに、その病的状態としてアルツハイマー病との関連が示唆されている。アセチルコリン性ニューロンへの興奮性および抑制性シナプス伝達機構および修飾機構の生後発達変化につき、ニューロン同定の新たな手法を導入しつつ、電気生理学的解析および形態学的解析を行ない、アセチルコリン性ニューロンへのグルタミン酸遊離制御におけるドーパミンD1型受容体とP/Q型カルシウムチャネルが、生後発達過程で常に共役していることを明らかにした。
大脳基底核シナプスおよび神経回路の再生機構の詳細は不明である。実験的に脳虚血状態を起こしたラットおよびパーキンソン病モデルラットを用いて、傷害された線条体神経細胞、シナプス再生経過および再生機構を明らかにする目的で、形態学的および電気生理学的解析を行なった。本プロジェクトによる基礎的データが、脳梗塞等の疾患に対する新たな治療法開発につながることを期待したい。
5) 海馬シナプスの左右非対称性
マウスの海馬錐体細胞のシナプスにおいて、左側から入力するシナプスと右側から入力するシナプスの間でシナプスの大きさや形が異なること、AMPA型受容体サブユニットGluR1の密度が非対称性を持つことを見出した。CA1野放射状層において、右側から入力する錐体細胞シナプスは左側から入力するものに比べ、より大きく、マッシュルーム型の割合が高く、GluR1密度も高い。またシナプスのサイズとグルタミン酸受容体サブユニット数の間には３種類の関係があることが明らかになった。第一にNR2Bに代表されるようにシナプスサイズと密度の間に反比例の関係があり、サイズに関わらずサブユニット数がほぼ一定のもの、第二にNR1, NR2A, GluR2, GluR3など大部分のものが属するシナプスサイズとサブユニット数が比例するもの、第三にGluR1に代表されるサイズと密度に正の相関があり、サイズ増大とともにサブユニット数はsupralinearに増加するものである。今後はこのような左右非対称性の生理的意義をはっきりさせるために、左右差に異常のある変異マウスを用いて行動実験を行っていく予定である。
大脳機能を支える局所神経回路の構成を調べることを目標にし、これまでに大脳皮質のニューロンタイプを、軸索投射・発火・物質発現のパターンから同定してきた。現在は、同定してきた構成要素（投射・介在ニューロンサブタイプ）から皮質回路がどのような原則で組み上げられているかを明らかにすることを目指している。今年度は、(1)大脳皮質GABA作働性ニューロンの構成、(2)大脳皮質FS細胞の徐波状態における発火様式、(3)大脳皮質レイヤー間の興奮結合選択性を解析した。
大脳皮質GABA細胞が選択的に蛍光標識され、それらを錐体細胞から容易に区別できるラットを用いて脳切片標本でGABA細胞から記録し、特異的発現分子が知られていないニューログリアフォーム細胞の解析を行った。ニューログリアフォーム細胞の特有な発火様式を確認した上で、化学的マーカーを検索した。その結果、これらがアクチン結合蛋白質であるアルファ-アクチニン-２を選択的に発現することがわかった。そこで、GABA細胞蛍光標識の利点を生かして、パルブアルブミン、ソマトスタチン、VIP、コレシストキニン、カルレチニン、アルファ-アクチニン-２という、GABA細胞の細胞体に発現する６種類のペプチド・蛋白質の発現様式を定量的に調べた。GABA細胞の中での各物質の発現割合をみると、1層、２/３層、５層では９割以上、６層では９割近くのGABA細胞が６つのマーカーの内、少なくとも一つを持っていることがわかった。
大脳新皮質ニューロンは睡眠中に脱分極のUp状態と過分極のDown状態を繰り返し、１ヘルツ以下の徐波と呼ばれるリズムで振動している。さらにUP状態には、視床由来の７から１４ヘルツのスピンドル波と、皮質自身が作る３０から８０ヘルツのガンマ波がのっている。これらのリズム制御には皮質の抑制性介在ニューロンが重要な働きをすると考えられている。そこで、抑制性ニューロンで最も数が多いFS細胞で、徐波時に現れる３種類のリズムでの発火パターンを調べた。Upでの発火時期をみると、前半と後半のどちらかで発火しやすいFS細胞があることがわかった(EarlyとLate FS細胞)。Early FS細胞は脳波が徐波から脱同期化すると発火頻度が下がり、逆にLate FS細胞は脱同期化すると発火頻度が上がった。これからLate FS細胞は覚醒時の認知機能に重要な働きをするのではないかと考えられる。この二種類のFS細胞はUp上のスピンドル・ガンマ波の異なる位相で発火した。Early FS細胞はLate FS細胞よりスピンドル波に強くカップリングし、これら振動の早い位相で発火した。スピンドルとガンマでの発火しやすい位相の間には相関が見られた。これらの結果は、FS細胞ごとにUp状態での発火パターンが時空間的に厳密に決められており、最初スピンドル波で同期的に引き起こされた局所的なガンマ波がEarly FS細胞からLate FS細胞へ伝えられ、このガンマ波にのって情報が移動していく可能性を示唆している。
大脳新皮質は複数の層（レイヤー）からできており、各層は興奮性の錐体細胞で結合している。同じ層の錐体細胞でも投射先や生理的性質が多様であることが知られている。今回、スパイク発火のバーストや順応パターンを調べたところ、前頭皮質５層の錐体細胞には３種類の発火サブタイプがあることがわかった。橋核や線条体に投射する５層錐体細胞はそれぞれ特有の発火パターンであることから、投射先に依存して生理的にも機能分化すると考えられる。次に、発火特性を同定した２個の５層錐体細胞から同時記録し、２/３層錐体細胞をグルタミン酸投与で発火させ、同一２/３層細胞から共通入力を受ける確率が５層錐体細胞発火サブタイプの組み合わせやサブタイプ間のシナプス結合に影響されるのかを検討した。その結果、５層細胞が同一２/３層細胞から共通入力を受ける確率は、同じサブタイプペアーの方が異なるサブタイプペアーより高くなった。さらに、同じ５層サブタイプペアーでは、シナプス結合があるものが無いものより共通入力確率が高くなり、一方、異なるサブタイプペアーが共通入力を受ける確率は５層間結合の有無に影響されなかった。以上のことから、２/３層から５層への興奮結合が５層錐体細胞サブタイプやその結合に依存したサブネットワークを作ることがわかった。
認知，記憶，思考，行動，情動，社会能力などに関連する脳活動を中心に，ヒトを対象とした実験的研究を推進している。脳神経活動に伴う局所的な循環やエネルギー代謝の変化をとらえる脳機能イメーシング（機能的MRI）と，時間分解能にすぐれた電気生理学的手法を統合的にもちいることにより，高次脳機能を動的かつ大局的に理解することを目指している。機能局在と機能連関のダイナミックな変化を画像化することにより，感覚脱失に伴う神経活動の変化や発達および学習による新たな機能の獲得など，高次脳機能の可塑性のメカニズムに迫る一方、近年は特に 自己と他者との関係（社会的認知）にかかわる神経基盤に重点を置いて研究している。 2008年に発表した論文のうち代表的な2編を紹介する。
Izuma K, Saito DN, Sadato N (2008) Processing of social and monetary rewards in the human striatum. Neuron 58:284-294.
ヒトの向社会行動(prosocial behavior)の発達においては、共感の一部としての 他者視点獲得が必要であるが、必ずしも十分ではないとされている。向社会行動の誘因の一つとして「他者からの良い評判の獲得」を想定し、まず「社会的行動の誘因となる他者からの良い評判の獲得は、金銭報酬獲得時と同様に報酬系を賦活させる」という仮説のもと実験を行った。機能的核磁気共鳴装置内で、19人の成人被験者に、他者からの良い評判と金銭報酬を知覚させると、報酬系として知られる線条体の賦活が共通して見られた。これは、他者からの良い評判は報酬としての価値を持ち、脳内において金銭報酬と同じように処理されているということを示している。この結果は、様々な異なる種類の報酬を比較し、意思決定をする際に必要である「脳内の共通の通貨」の存在を強く支持する。
Mano Y, Harada T, Sugiura M, Saito DN, Sadato N (2008) Perspective-taking as part of narrative comprehension: a functional MRI study. Neuropsychologia (in press).
視点取得は他者の知覚を取得し理解する能力であり、他者の感情を認知する際に必要となる。我々は他者の感情に共感する際の視点取得の神経基盤を、fMRIを用いて検討した。被験者は二文から成る状況文を読み，主人公の感情を忖度する課題を行った。一文目の主人公が二文目の出来事と同じ場所に存在する場所一致条件と，別の場所に存在する場所不一致条件を用いて視点取得のワークロードを実験的に操作した。被験者に提示される二文目は条件間で同じ内容に設定し文脈効果により変化する脳活動を計測した。その結果，場所不一致条件において主人公の感情を忖度する際の神経基盤が場所一致条件時と比較して後部帯状皮質と右側側頭頭頂連結部での賦活が確認された。後部帯状皮質は視点取得と感情語の評価に関連することが知られており，側頭頭頂連結部は他者の心的表象の理解と同様に空間的な視点取得に関与することが知られていることから、これらの両領域が他者の感情を認知する際の視点取得に関与することが示唆された。