1. 大脳皮質機能研究系 大脳神経回路論研究部門(川口泰雄教授)の評価

1.1 Jackie Schiller教授

Prof. Jackie Schiller, Department of Physiology, Technion Medical, Haifa Israel
An evaluation of the Division of Cerebral Circuitry in the National Institute for Physiological Sciences headed by Prof. Yasuo Kawaguchi

One of the central challenges facing modern neuroscience is to unfold the wiring diagram of the neocortex. The Division of Cerebral Circuitry of the National Institute for Physiological Sciences in Okazaki is one of the leading labs in the world dealing with this complex, yet unresolved question. I am pleased to have the opportunity to review the work of such an excellent and prolific group.

This institute headed by Prof. Yasuo Kawaguchi main focus is in deciphering the microcircuitry of the neocortex. The single components of the cortex, pyramidal and interneurons, and their unique synaptic connections are being studied. One of the major strengths of this center lies in its multi-disciplinary approach. It combines under the same roof both state of the art electrophysiological and anatomical tools in both the light and electron microscopy level. Combining electrophysiological and anatomical tools, together with the impressive expertise of the lab leaders turns the Division of Cerebral Circuitry into one of the world leader in its field, with an impressive publication record and a significant contribution to our knowledge of the anatomical and physiological wiring diagram of the neocortex.

One of the most important and interesting results revealed by this group is the existence of functional microcircuitry with small subnetworks of principle excitatory neurons that show higher connectivity depending on their innervations targets. This important finding was later confirmed by other groups. The functional significance of this finding is still unknown but subgroups in the cortex were implemented in various cortical computations. The center continues to try and understand the functional connectivity of these subgroups extending the findings to interneurons as well.

Major directions of research

In the past 5 years the laboratory has published approximately 20 papers in leading neuroscience journals. In addition members of the lab have presented additional projects in abstract forms in the meeting of the Society of Neuroscience held recently in Chicago (October 2009). In the next section I will summarize the main results of the Lab in the past 5 years.

Subnetworks of synaptically coupled excitatory neurons. A major contribution of the group is their finding that the neocortical network is in fact composed of several subnetworks of interconnected excitatory pyramidal neurons that share similar functional properties. Otsuka and Kawaguchi (2008, J Neurosci, 28: 11186-11195) have shown that layer-5 pyramidal neurons with similar firing properties in response to somatic current injection have a higher probability of connections. In a recently published paper Morishima and Kawaguchi (2006, J Neurosci 26, 4394-4405) further showed the existence of functional subnetworks in the neocortex determined by a common shared output target. They showed that excitatory layer-5 pyramidal neurons that share a common output target (Pons versus the contralateral striatum) have a much higher connection probability. Interestingly the neurons also differed in the morphology of their apical tuft. In addition Morishima and Kawaguchi (2009) have presented an abstract in the last SFN meeting in Chicago, where they reported that apical dendrites of interconnected layer-5 pyramidal neurons projecting to the pons tend to run in twisted bundles with close proximity between dendrites of the different neurons.

The cortical inhibitory system. The inhibitory system is crucial for regulating the normal function of the neocortex. They are implemented in a variety of cortical computations such as map formation, control of neural plasticity during critical periods, elimination of statistical dependencies between neurons, contrast gain control, sensory adaptation and more. Inhibitory interneurons in the neocortex are extremely diverse, ranging dramatically in size, dendritic and axonal morphology, lamina of origin, categories of synaptic input, post-synaptic targets, input and output synaptic dynamics, firing patterns. It is of prime importance to characterize these neuronal populations both anatomically and physiologically. The Division of Cerebral Circuitry is a world leader in studying the inhibitory system, and especially in classifying the different inhibitory interneurons, as well as understanding the contribution of the different interneuron subtypes to the neocortical circuitry.

In the past few years the lab has continued to publish important papers regarding the inhibitory system:

Quantifying the dendritic branching patterns and spine densities and distribution in neocortical neurons.

The effect of acetylcholine on neocortical and hippocampal neurons.

In a set of two papers Gulledge et al. (2007, J Neurophysiol 97:2215-2229) and Gulledge and Kawaguchi (2007, Hippocampus 17:327-332) have shown that ACh preferentially effects different neurons in the neocortex and hippocampus. ACh inhibits the output neurons (the layer-5 pyramidal neurons and CA1 pyramidal neurons), while having a small or no inhibitory effect or even an excitatory effect on other neurons such as layer 2-3 pyramidal neurons, inhibitory interneurons and CA3 neurons. These findings shed light on the possible mechanism of action of neuromodulators in the cortex. Interestingly, recently it was reported that serotonin affects selectively the inhibitory interneurons and not the pyramidal neurons in the hippocampus (Varga et al., 2009). Thus it seems that different neuromodulators might target preferentially specific subtypes of neurons in the cortical network.

Conclusions

It was a pleasure to review the work of the Division of Cerebral Circuitry in the National Institute for Physiological Sciences headed by Prof. Yasuo Kawaguchi. This is an excellent scientific group that studies one of the most important and fundamental questions in neuroscience, the wiring diagram of the neocortex. This group is one of the world leaders in the field of cortical microcircuitry that has contributed many important papers to the field. Regarding the future, as the field of neocortical microcircuitry is a central field in neuroscience It should be further studied. Furthermore, introduction of new genetic techniques will probably result in rapid advance in the foreseeable future. In conclusion, the Division of Cerebral Circuitry with its world class expertise and technical capabilities is expected to continue and significantly contribute to this important field.

(和訳)
生理学研究所 大脳神経回路論研究部門  川口泰雄教授の評価

現代の脳科学が直面している重要な課題の一つは大脳皮質の配線図を解き明かすことである。生理学研究所大脳神経回路論部門はこの複雑で、未だ解決されていない問題に取り組む世界でも先端的な研究室である。私はこのようなすばらしく、実績のあるグループの仕事を評価する機会に恵まれ非常にありがたく思います。

川口泰雄教授を長とするこの部門の主要テーマは大脳皮質局所回路を明らかにすることである。大脳皮質構成要素である錐体細胞と抑制性細胞と、それらの間の結合特性の解析を行っている。この部門の特徴の一つに、多様な実験手法が使われていることがある。技術レベルの高い電気生理学的手法と、光学・電子顕微鏡による形態学的手法を組み合わせて研究を進めている。大脳神経回路論研究部門は、これらの解析方法を組み合わせることで、大脳皮質配線図の解明に多大な貢献をする重要な論文を発表し、この分野で世界的に評価されている。

この研究部門で得られた重要で興味深い知見の一つは、興奮性細胞がその投射先に依存して作る、結合階層性のある機能的サブネットワークの存在である。この重要な発見は後に他のグループによっても確認されている。このサブネットワークの機能的意義については未だ明らかにされていないが、大脳皮質の錐体細胞サブグループは多様な皮質情報処理に対応して機能分化していると考えられる。この研究部門は、引き続きこの錐体細胞サブグループの機能的結合特性に取り組み、さらにこれらと抑制性ニューロンとの関係についても解析を進めている。

主要な研究方向性

大脳神経回路論研究部門は過去5年間に主要な神経科学雑誌に約20もの論文を発表している。さらに部門のメンバーは、最近シカゴで行われた北米神経科学学会(2009年10月)において最近の成果についても発表した。次に、私はこの研究部門の過去5年の主要な結果についてまとめてみます。

シナプス結合する錐体細胞のサブネットワーク
この部門の大きな業績のひとつは、類似した性質の錐体細胞がシナプス結合し、多様なサブネットワークが皮質局所回路内に作られていることを見つけたことである。大塚、川口(2008, J Neurosci, 28: 11186-11195)らは、細胞体への電流注入で調べた発火特性が同じ皮質5層錐体細胞間に結合がある場合には、2/3層の同一細胞から共通入力を受ける確率が高いことを示した。森島、川口(2006, J Neurosci 26, 4394-4405)らは、大脳皮質で皮質外投射先に依存した機能的サブネットワークの存在を明らかにした。彼女らは大脳皮質5層の錐体細胞が投射先に依存して(橋核に投射する錐体細胞と対側線条体に投射する錐体細胞の比較で)、高い確率で結合するサブグループがあることを示した。非常に興味深いことに、出力先によって尖端樹状突起タフト部位が形態学的にも異なることを明らかとした。さらに森島、川口ら(2009)はシカゴにおける国際神経科学学会で、相互結合する橋核投射錐体細胞ペアーの尖端樹状突起は、極めて近接しつつ捻れながら皮質表面に向かって伸びていくことを報告した。

大脳皮質抑制性システム
大脳皮質の正常な機能発現には、抑制性システムが重要である。抑制性システムは、マップ形成、感受性期におけるシナプス可塑性制御、ニューロン間信号伝達における確率的変動の除去、コントラスト利得制御、感覚順応などの皮質情報処理システムの多様な側面に関与している。大脳皮質抑制性細胞は非常に多様で、大きさ、樹上突起・軸索形態、層分布特異性、入力シナプスタイプ、後シナプス構造、標的ニューロンタイプ、 発火特性などが異なっている。新皮質回路の理解には、抑制性ニューロンの形態学的・電気生理学的特性を明らかにすることは非常に重要である。大脳神経回路論研究部門は、新皮質抑制性システム、特に抑制性細胞の分類と、それらサブタイプの皮質神経回路での役割についても先端的研究を行っている。

過去数年の間に、この部門は抑制性システムについも重要な論文を発表している。

大脳皮質神経細胞における樹状突起分岐パターンとスパイン密度・分布の定量化
本部門では、高度な形態学的手法が取り入れられており、特に、電子顕微鏡を使った精緻な解析は、これまでなされたことのない詳細な形態的所見を得ることを可能にした。

アセチルコリンの新皮質・海馬ニューロンへの作用
Gulledge et al. (2007, J Neurophysiol 97:2215-2229) とGulledge and Kawaguchi (2007, Hippocampus 17:327-332)で、アセチルコリンは大脳皮質と海馬において、神経細胞サブタイプに選択的な作用をすることを明らかにした。アセチルコリンは、皮質下出力細胞(新皮質5層の錐体細胞、海馬CA1錐体細胞)を抑制する一方で、新皮質2/3層錐体細胞・抑制細胞とCA3錐体細胞への抑制作用は無いかもしくは弱く、むしろ興奮性の影響を与える。これらの発見は大脳皮質におけるアセチルコリン作用メカニズムの解明に貢献した。興味深いことに最近、海馬においてセロトニンが抑制性細胞に選択的に作用し錐体細胞には影響しないこと(Varga et al.,2009)が報告された。このように、皮質回路では神経修飾物質は特異的な神経細胞サブタイプに選択的に作用するのかもしれない。

結論

川口泰雄教授の生理学研究所大脳神経回路論部門による研究活動を評価することができて非常にうれしく思います。この部門は神経科学の重要な根本的な問題の一つである、大脳皮質配線図を解析する非常に優れた研究グループであると言えます。このグループは重要な論文を発表することで、新皮質局所回路分野において先導的な役割を果たしています。将来的に大脳皮質局所回路解析は神経科学の中心的な分野となるので、さらに研究を進めるべきです。新しい遺伝学的技術の導入はおそらく近い将来に研究を進捗させるでしょう。結論としては、卓越した専門的知識と技術力を兼ね備えた大脳神経回路論研究部門の活動が継続され、この重要な領域に大いに貢献することを期待します。

1.2 大阪大学 大学院 生命機能研究科 藤田一郎 教授

大脳皮質機能研究系 大脳神経回路論研究部門(川口泰雄教授)の評価

大阪大学 大学院 生命機能研究科
藤田一郎

川口泰雄教授が主催する大脳神経回路論研究部門の2005-2009年の研究・教育活動について、研究業績資料および2009年11月20日に行ったサイトビジットでの議論に基づき、以下ように評価する。

研究の概要と特徴

川口泰雄教授は、大学院生時代から今日までの科学キャリアを通じて、哺乳類脳の神経回路解析を一貫して追求してこられた。 

特に過去20年は、大脳皮質の構造と機能に力点をおいてその神経回路レベルでの解明を目指している。電気生理学的手法(スライス電気生理学、インビボ電気生理学)と神経解剖学的手法(細胞内染色、神経結合標識、免疫組織化学、電子顕微鏡観察)を組み合わせ、個々の神経細胞および神経細胞の部品(細胞体、軸索、異なった樹状突起)の持つ性質を厳密かつ詳細に特定するとともに、対象とする神経細胞の、大脳皮質・基底核・視床・小脳という大規模ネットワークの中での位置づけを明らかにするという野心的なプロジェクトを、着実に進展させている。

大脳皮質非錐体細胞(抑制性細胞)の分類や神経回路構造の特性の解明から、この数年は、大脳皮質錐体細胞(興奮性細胞)の解析へと研究を展開しつつある。さらに、大脳皮質の構成要素としての神経細胞のタイプ分けの知見の上に立って、これらの細胞がどのようなルールで神経回路を組み上げていくかの解明へと研究を進展させ、大脳皮質神経回路のより包括的な理解を目指しつつある。

研究の独創性とインパクト

当該研究室は、電気生理学的手法(スライス電気生理学、インビボ電気生理学)と神経解剖学的手法(細胞内染色、神経結合標識、免疫組織化学、電子顕微鏡観察)を組み合わせ、局所神経回路の系統的な「腑分け」を行うという研究アプローチを、世界的に見ても最も徹底して行っているグループの一つである。その成果は、大脳皮質の回路構成についての理解を大きく進めた。その過程で、Venusラットの開発、電子顕微鏡によるシナプス同定の持つ技術的問題点の改善など、独自の実験手法の開発も行っている。

その独創的な成果は、大脳皮質の回路レベル、システムレベルの研究分野に大きく貢献している。そのことは、川口グループの研究論文が非常に多く引用されていることからも明らかである。

川口教授には、2008年に、Cajal Clubより、その最も高いレベルの賞であるThe Cortical Discoverer Awardが授与され、2009年には、日本神経科学会より、時実利彦記念賞が授与された。2009年秋には、科学技術振興機構の戦略的創造研究推進事業CRESTプロジェクトの研究代表者に選定されている。ほんの数例をあげたにすぎないが、これらの事実は、川口教授とそのグループの研究成果が高く、国内外において評価されていることの証である。

研究室マネージメント

過去5年間に3名の大学院生が博士号学位を取得している。国外からの留学生としてスペインおよび米国より2名のポスドク(日本学術振興機構)が滞在し、それぞれが滞在中に研究プロジェクトを成就させ、論文を発表して、帰国または新天地へと巣立った。

窪田芳之准教授、大塚岳助教、森島美恵子助教らスタッフ、研究員、大学院生と、メンバー数は小ぶりながら緊密な関係に結ばれた、生産性の高い研究室を運営している。  

結論

川口教授の研究室は、焦点をしぼった研究プロジェクトを長年にわたり遂行し、その成果を蓄積し、また、常に新しい世界に向かって前進している。神経科学において確固たる位置を維持し、独自の研究世界を切り開いている。

大脳皮質の構造は複雑であり、その複雑な諸側面の機能的意義の理解に至るには長い年月が必要であると推察する。それらを明らかにすることは一人の研究者、一つの研究室で成し遂げることのできることではないと考える。川口グループが明らかにした細胞のタイプ分けや回路構造を追及する際に、他研究グループとの共同研究が必要になってくるだろう。しかし、研究が発散しないよう注意して進むことが大事ではないかと思う。評価者は、川口グループがその信じるところに従い、これまで通り、脇目をふらずに当該分野に没頭されることを期待する。  

1.3 大阪大学 大学院 生命機能研究科 山本亘彦 教授

大脳皮質機能研究系・大脳神経回路論研究部門・川口泰雄教授の外部評価

大阪大学大学院生命機能研究科・山本亘彦

概要

川口泰雄教授が主宰する大脳神経回路論研究部門においては、大脳皮質におけるニューロンサブタイプの同定ならびに皮質神経回路の機能構築を解明することを目指し、活発な研究が展開されている。特に、大脳運動領から他の脳部位への神経投射の特異性に着目し、他に類をみない精密かつユニークな生理学的・形態学的な計測手法を駆使することにより、大脳皮質ニューロンの多様性と神経回路特性に関する重要な知見を次々と発表している。これらの成果は、国内外で非常に高い評価を受け、国際会議・シンポジウムへの招待講演や国際的に名高い学術賞の受賞に結びついている。現在、若手研究者と共に推進する研究もその延長線上にあり、研究の発展が大いに期待できる。

研究内容と成果

2009年11月現在、大脳神経回路論研究部門は川口泰雄教授を筆頭に、窪田芳之准教授、大塚岳助教、森島美絵子助教、博士研究員の重松直樹、植田禎史、平井康治(総研大大学院・川口研修了)、ならびに大学院生の牛丸弥香から構成されている。

川口らは、以前に大脳基底核や小脳において神経細胞と回路特性に関する研究を行ってきたが、それらと密接な関連性を有する大脳皮質運動野に着目し、抑制性・興奮性ニューロンの多様性に焦点を絞って研究を進めている。すなわち、出力特性から皮質ニューロンの生理学的・形態学的特質を詳らかにすることによって、大脳皮質神経回路の機能的構築を明らかにしようとしているのである。これは、従来の感覚野において入力側から回路を明らかにする方法論とは異なり、独特のアプローチである。この明確な戦略に基づいて、研究室のメンバーによりハイレベルな研究が推進されている。

窪田准教授は主として、抑制性ニューロンの形態と電気生理学特性を指標とした多様性に関する研究を精力的に行っている。大塚助教、森島助教は皮質興奮性細胞の投射領域に応じた回路特性、形態的特性を明らかにしている。重松、植田、平井研究員ならびに牛丸はそれぞれ異なる方向性からではあるが、皮質神経回路の特異的・機能的な様相の解明に取り組んでいる。このように、個々は独立したテーマで研究を推進しているが、その目指すところはまさに川口の目標に合流している。比較的少人数で問題意識を共有し、重要課題に取り組むことにより、着実に成果を上げる体制が作り上げられていると言えよう。また、過去5年間には海外から複数の研究者が川口の研究指向性に共感して来訪し、原著論文を発表するに至っている。

生理研赴任以来、成果は主として、Journal of Neuroscience, PNAS, Cerebral Cortexと言った一流誌に発表されており、国内外から非常に高い評価を得ている。特に、現在の研究の基盤となった論文の一つ “Kawaguchi Y, Kubota Y. (1997) GABAergic cell subtypes and their synaptic connections in rat frontal cortex. Cereb Cortex. 7:476-86.” は、引用件数が400を越え、現在も引用され続けている状況である。ちなみにこの論文は2009年現在Cerebral Cortex誌の引用件数歴代2位を記録している。近年、これらの成果からGordon Conferenceを初めとする国際学会やシンポジウムに招待講演を依頼され、また、2009年には時実賞を受賞、2008年にはRaymon y Cajalの業績を称えたCajal Club 賞を日本人として初めて受賞するに至っている。

波及効果

以上述べたように川口らの研究は、神経生理学・神経解剖学の範疇として国際的によく知られているが、それにも増して、神経発生、可塑性の研究者に高く評価されている。大脳の神経発生における近年最大の発見として、抑制性ニューロンの起源が基底核に由来することが挙げられる。これを機に抑制性ニューロンの多様性を生み出すメカニズム、さらには興奮性錐体細胞の多様性に向けて研究が展開しているところである。皮質可塑性の研究においても、特定の抑制性ニューロンの働きが注目されるにあたり、細胞同定は極めて重要な要素になっている。このような状況で、川口らの大脳皮質ニューロンの多様性、分類に関する研究はそれらのバックボーンとして非常に高く評価されている。実際、神経発生学者が集う抑制性ニューロンのnomenclature決定会議の招待状を受け取った唯一人の日本人であることも、そのことを物語っていると言えよう。川口らの皮質ニューロンの多様性、分化に関する研究成果に学際的に重要な要素が含まれていることが国内外で広く認知されてきたと思われる。

発展性

川口独特の研究戦略・手法は他の追随を許さない域に達している。彼らの論文は、昨今の商業誌には出版されていないものの、大脳皮質の機能、形態、成り立ちを含めた広範囲な意義を内包している。同様の研究分野では、Peter Somogiらの名を挙げることができるが、彼らと共に大脳皮質の研究で世界をリードする存在になりつつある。浅薄な評判に惑わされることなく研究を進展させてきた結果であり、今後も神経科学の発展に寄与する成果が生み出されることは間違いない。

要望を挙げるとすると、ポストゲノムの観点から、あるいは生物学的・医学的な基盤という観点から、生理学的・形態学的な特性に加えて、遺伝子の情報を加えることによって、新たな研究展開があると考えられる。さらに、神経発生・可塑性関連の研究者との連携によって、さらなる付加価値が高まることも予想される。

川口らの研究の発展により、そう遠くない将来、多様な皮質神経細胞によって構成されるネットワークの機能的な意義が解明されるであろう。研究室の若手も着実に育っており、それぞれレベルの高い研究に取り組んでいる。彼らのパワーがさらなる発展に結びつくことを予感させる。脳研究者として百年後に名を残す日本人研究者になることが大いに期待される。