5 大脳皮質機能研究系

5.1 脳形態解析研究部門

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つがあることがわかった。外側膝状体の視神経―中継細胞シナプスは全体分布型、大脳皮質―中継細胞シナプスはモザイク型である。これらの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によりシナプス応答を推定したところ、どちらのシナプスでも受容体数の増加に比例した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。長期増強現象では、シナプス内AMPA受容体密度が増加する事が明らかとなった。また、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関係を解析し、シナプス機能の増強に伴いスパインの形態変化と受容体増加及びシナプス面積増加が短時間で起き、これらの変化は動物が探索行動を行う事でも同様に起きることを確認した。

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。 伝達物質の拡散を制御し、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、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、シナプス伝達に与える影響を電気生理学・電子顕微鏡法も組み合わせて解明する。

4) 細胞接着因子の自閉症関連変異とシナプス機能

細胞接着因子Neuroliginは、シナプス後終末に局在し、シナプス前終末に局在するNeurexin と結合することにより、シナプス形成及び機能獲得に寄与していると考えられている。これらの遺伝子異常が自閉症の患者から見つかっていることから、Neuroligin/Neurexinが自閉症の病態と関係している可能性がある。我々は、Neuroligin遺伝子変異のうち、細胞外に局在するもの（R451C）と細胞内に局在するもの(R704C)を有するノックインマウスをそれぞれ作成し、シナプス機能を比較検討した。これらのマウスの海馬において、R451C変異では興奮性シナプス機能の亢進が見られたのに対し、R704C変異では興奮性シナプス機能の低下が見られると言う、正反対の結果が得られた。今後、これらの違いが自閉症関連行動に及ぼす影響を調べていく。

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。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、分離脳マウスモデルを使ってBarnes mazeでの空間学習能を調べたところ、右側の海馬を使うマウスは左側の海馬を使うマウスに比べて空間学習能が優れていることが明らかになった。今後は海馬シナプスの左右差に異常のある変異マウスを用いて同様の行動実験を行っていく。

5.2 大脳神経回路論研究部門

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) 形態的シナプス同定基準の検討、(2) 介在細胞サブタイプに依存した皮質内興奮性経路抑制の解析を行った。

1. 形態的シナプス同定基準の検討

皮質局所神経回路を解析していく過程で、神経細胞サブタイプ、あるいはその表面ドメインごとに、シナプス結合密度を定量化していくことは極めて重要である。そのために、電子顕微鏡を使って連続超薄切片を観察し、神経組織を三次元再構築することが行われている。しかし、これまでの電顕写真でのシナプス同定規準では不十分であることが分かった。それは、切片面に平行あるいは平行に近い角度に存在するクレフト面を持つシナプス結合は、従来のシナプス結合の定義による観察では見逃してしまう為、本来のシナプス入力の密度よりもかなり少ないシナプス数しかとらえることができない。この問題点を改善するために以下の方法を導入した。シナプス結合の同定に関して、切片面に平行あるいは平行に近い角度のクレフト面を持つシナプス結合は、連続切片を使って、従来のシナプス結合の同定に使われている同一切片で観察できる構造要素が、順序通りに連続切片で観察できる場合は、それをシナプスと判断できる事を、トモグラフィ解析を組み合わせて確認した。シナプス確認に、この新しいこの方法を使って、パルブアルブミン陽性細胞の樹状突起表面に入力するシナプス数を測定したところ、およそ３分の１から半分程度のシナプスを新たに確認することができた。これは、旧来のシナプス同定法だけを使った場合、シナプスの多くを見落としてしまう可能性があることを示している。

2. 介在細胞サブタイプに依存した皮質内興奮性経路の選択的抑制

大脳皮質ニューロンには興奮性の錐体細胞と抑制性の介在細胞があり、介在細胞によって興奮性回路が制御されている。錐体細胞は皮質外投射先や発火様式に依存して特異的にシナプス結合することで、サブネットワークを形成していることが次第に明らかになってきている。しかし、多様なサブタイプからなる抑制性介在細胞と興奮性サブネットワークとの関係はあまり調べられていない。今回、介在細胞サブタイプが前頭皮質内の興奮性経路を選択的に抑制するかどうかを見るために、５層錐体細胞と介在細胞サブタイプの間の結合特性をスライス標本で同時ホールセル記録することで、それらへの２/３層からの興奮性入力パターンをグルタミン酸刺激法により調べた。５層介在細胞は電気生理学的にFast spiking (FS)細胞とnon-FS細胞に分類したが、記録した５層non-FS細胞の多くは形態学的にマルティノッティ細胞であった。シナプス結合解析の結果、5層FS細胞と錐体細胞結合の多くは両方向性であったのに対して、non-FS細胞と錐体細胞では双方向結合は殆ど見られなかった。双方向結合していたFS/錐体細胞ペアーの興奮性・抑制性シナプス電流は、一方向結合のものと比べて大きかった。５層non-FS細胞と錐体細胞では、その間にシナプス結合があると２/３層錐体細胞から共通入力する確率が高くなったのに対して、５層FS細胞/錐体細胞ペアーに対する２/３層錐体細胞からの共通入力確率は５層細胞間結合の有無には依存しなかった。以上の結果から、選択的興奮性結合によって作られる錐体細胞サブネットワークの抑制様式は、介在細胞サブタイプごとに異なることがわかった。

5.3 心理生理学研究部門

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，自己と他者との関係（社会的認知）にかかわる神経基盤を明らかにする。本年は、特に向社会行動に重点を置いて研究した。

ヒトの社会は、遺伝的に無関係な個体の間での役割分担と協同により成立している。他者を利するための自発的な行為（向社会行動・利他主義）がその本質であり、ヒト以外の動物には見られない特徴である。向社会行動はヒト固有の脳機能に由来すると考えられる一方で、生物としてのヒトには、他の生物と共通な、個体保存と目的とする利己的な行動原理が存在する。遺伝子に基づく進化論的モデルでは利他主義の獲得は説明できず、文化的な進化および遺伝子-文化の共存的進化を考える必要がある。つまり、ヒトの向社会行動の本質を理解するためには、その神経基盤、発達過程、病態、文化影響を、ヒトにおいて調べることが必須である。

従来、ヒトの向社会行動は、他者視点取得（perspective taking）と共感（empathy）により説明されてきた。他方、ヒトの向社会行動の発達においては、共感が必要であるが、必ずしも十分ではないとされている。社会交換理論によると、利他行動も、社会報酬を最大にするような行動として選択されるのであり、経済行動と同一の枠組みで説明できるとしている。実際、他者からの良い評判という社会報酬と金銭報酬は、共に報酬系として知られる線条体を賦活する(Izuma et al. in press, a)。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」の存在を強く示唆する。他方、社会的報酬に特有な活動として、内側前頭前野の活動がみられたことから、他者から見た自分の評価は、内側前頭前野により表象され、さらに線条体により社会報酬として「価値」付けられることが想定された。すなわち、社会的報酬には、線条体を含む報酬系と、心の理論の神経基盤の相互作用が関与していることが明らかとなった（Izuma et al. in press, b）。

文献
Izuma K, Saito DN, Sadato N (in press, a) Processing of the incentive for social approval in the ventral striatum during charitable donation. J Cogn Neurosci.

Izuma K, Saito DN, Sadato N (2009, b) The roles of the medial prefrontal cortex and striatum in reputation processing. Soc Neurosci.