5 大脳皮質機能研究系
5.1 脳形態解析研究部門
1) 電位依存性カルシウムチャネルの細胞膜上分布
神経細胞の興奮性は細胞膜上に発現しているイオンチャネルにより制御されている。中でも電位依存性カルシウムチャネルは細胞の電気的興奮とセカンドメッセンジャーの両方を調節する重要な分子である。今回我々は周期的な神経細胞活動に関与することが知られるT型カルシウムチャネルα1Gサブユニットのマウス外側膝状体細胞膜上の分布を免疫電子顕微鏡法によって定量的に解析し、この分子が樹状突起細胞膜上に均一の密度で発現していることを見出した。これまで外側膝状体細胞の周期的活動には遠位樹状突起により多くのチャネルが発現していることが必要であると考えられていたが、今回の解析結果はこれまでの予想を覆すものであった。
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(SDS-FRL)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ることを確認した。現在、より生理的な刺激条件下でのシナプス内グルタミン酸受容体密度がどの様に変化するかを検討しており、受容体密度調節の生理的意義を解析している。
3) 細胞間隙を拡散する伝達物質動態が定める信号伝達特性の解明
神経細胞の間隙を拡散する伝達物質動態を理解しない限り、ミクロン単位の狭い空間においてミリ秒単位で制御される信号の受け渡し過程の全貌はつかめない。本研究では、網膜から外側膝状体へのシナプスに注目し、超博切片像からシナプス構造の三次元再構築を行い、SDS-FRLで受容体の分布を解析し、数理的シミュレーションと電気生理学的に記録される信号伝達特性を照らし合わせる手法を採った。実験の結果、このシナプスは、伝達物質が除去されにくい構造を取っており、溢れ出た伝達物質は近隣のシナプスに影響を与え、受容体の脱感作を亢進することが明らかになった。網膜で発生した活動電位の全てが外側膝状体でリレーされるわけではなく、特徴的なフィルタリングが施される過程に、シナプスの微細形態が関わっていることが示された。
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いう、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、グルタミン酸受容体サブユニットNR2BやGluR1の密度が非対称性を持つことを見出した。また分離脳マウスモデルを使ってBarnes mazeを行ったところ、右側の海馬を主に使うマウスは左側の海馬を主に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と行動の関係を調べる。
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投射・介在ニューロンを、軸索投射・発火・物質発現のパターンから分類してきた。現在は、これまで同定してきた基本的構成ニューロン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、ニューロン・局所回路・大脳システムをつなげることを目標にしている。ニューロン種や局所回路結合にある、階層性やサブネットワークの実体を明らかにしたいと考えている。今年度は、(1) 介在ニューロンのセロトニンによる活動修飾、(2) 新皮質GABA作働性ニューロンの階層的構成の解析を行った。
1. ラット前頭皮質局所電場電位とFS細胞のセロトニンによる活動修飾
統合失調症や鬱病などの精神疾患では、前頭皮質セロトニン系の異常が考えられている。これらの疾患では前頭皮質の電気的同期活動変化も報告されているが、セロトニンの皮質振動系における役割はよくわかっていない。麻酔したラットで背側縫線核を電気刺激すると、徐波UPの時間が長くなり、強い刺激を与えると脱同期化した。新皮質に発現する主要なセロトニン受容体である2Aタイプ拮抗薬の全身的投与で、局所電場電位の徐波・ガンマ波ともに減弱したのに対して、1Aタイプの拮抗薬ではガンマ波の増強が見られた。新皮質のGABA作働性ニューロンの主要なサブタイプであるFS細胞は皮質ガンマ波と同期して発火することが報告されおり、その生成に深く関与すると考えられている。背側縫線核刺激によって一部のFS細胞でみられる抑制は1Aタイプの拮抗薬によって減少した。一方、1Aタイプ拮抗薬によるガンマ振動増強に対応して、この振動とFS細胞発火との同期が強くなることがみられた。セロトニン1A、2A受容体のmRNA発現をFS細胞に対応するパルブアルブミン陽性細胞で調べると、両受容体ともに一部のパルブアルブミン細胞に見られたが、1A、2A受容体の両方を発現するパルブアルブミン細胞は少なかった。一方、錐体細胞では発現する2C受容体は殆どみられなかった。これらから、徐波生成がセロトニン2A受容体に依存することや、ガンマ振動がパルブアルブミンFS細胞の1A、2A受容体を介して調節される可能性が明らかになった。
2. 新皮質GABA作働性ニューロンの階層的構成
新皮質GABA作動性細胞は極めて多様であるが、私たちは、(1) その多くがカルシウム結合蛋白質のパルブアルブミン、カルレチニン、ペプチドのソマトスタチン、VIP、コレシストキニン、アクチン結合蛋白質のアルファアクチニン2の内、少なくとも一つを発現し、(2) それらの発現様式と形態・発火特性の間に相関が見られ、(3) これらの性質の違いを基に皮質局所回路における機能的サブタイプが同定できると考えている。しかし、新皮質ニューロン研究者の間では、GABA細胞が限られた数の特徴的なニューロンクラスに分けられるのか、生理的・形態的に連続分化した極めて多様なニューロン群からできているのかについて未だに議論されている。皮質GABA細胞には、上記の基本的マーカーの他に、ニューロペプチドY、CRF、サブスタンスP受容体、一酸化窒素合成酵素が発現する。本研究では、新皮質GABA細胞の構成やその中の階層性を更に理解するために、これらのマーカーと6種の基本的マーカーとの関係や、マーカー発現と形態的特性との関連を調べた。その結果は、新皮質GABA細胞は限られた数の基本的クラスからできており、その中が更に階層的に組織化されており、それぞれの化学的サブタイプは形態的・生理的に固有な分化をしている考えを支持した。
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、2個体fMRI同時計測を用いた共同注意の神経基盤解明に重点を置いて研究した。共同注意は、2者間において、第三者（物）への注意を共有することを指し、コミュニケーションにおいて基本的な役割をはたすと考えられており、限られた注意やワーキングメモリにもかかわらず、生後6-12ヶ月ではやくも出現し、その不在は自閉症の早期兆候とされる。新生児模倣の存在を考慮すると、共同注意において、生得的な「共鳴」システムの存在が予想される。その神経基盤を明らかにするために、2台のMRIを用いて視線による共同注意課題遂行中の脳活動を計測した。その結果、共同注意に伴うアイコンタクトによって、右前頭前野の神経活動に同期が観察された(Saito et al. 2010)。さらに、voxel based morphometry手法を用いて、自閉症を含む広汎性発達障害患者群において、右前頭前野と右島皮質の体積減少のみられることを明らかにした (Kosaka et al, 2010)（いずれも福井大学との共同研究）。2個体fMRI同時計測をさらに進展させるため、3T装置2台から構成される同時計測用MRIシステムを生理研研究棟地階に導入し、実験を開始している。
Saito DN, Tanabe HC, Izuma K, Hayashi MJ, Morito Y, Komeda H, Uchiyama H, Kosaka H, Okazawa H, Fujibayashi Y, Sadato N (2010) "Stay tuned": inter-individual neural synchronization during mutual gaze and joint attention. Front Integr Neurosci 4:127.
Kosaka H, Omori M, Munesue T, Ishitobi M, Matsumura Y, Takahashi T, Narita K, Murata T, Saito DN, Uchiyama H, Morita T, Kikuchi M, Mizukami K, Okazawa H, Sadato N, Wada Y (2010) Smaller insula and inferior frontal volumes in young adults with pervasive developmental disorders. Neuroimage 50:1357-1363.
メディアで目にするような有名な場所と，日常生活を送る個人的に親近な場所とでは，心的表象は異なると考えられる。前者は主に典型的な写真や意味的情報で表象されているのに対し，後者では実際にそこで経験した自伝的出来事との関係が深いと考えられる。この心的表象の違いの神経基盤を明らかにするためにfMRI 実験を行った。25 名の健常被験者に個人的に親近な場所，有名な場所，未知の場所の風景写真を2回づつ提示し，場所の既知未知判断中の脳活動を測定した。
有名な場所の認知の際には主に左半球外側が賦活し、個人的に親近な場所の認知の際には両側大脳半球内外側広範に賦活が見られた。2条件を直接比較すると、有名な場所の認知の際には右側頭頭頂接合部及び頭頂葉内側に有意な活動両の差が見られた。一方adaptation は有名な場所の認知の際には主に左角回に、個人的に親近な場所の認知の際には右側頭葉内側に見られた。以上の結果から1) 個人的に親近な場所と有名な場所とでは脳メカニズム的にも異なる形で表象されていること、2) 個人的に親近な場所の表象は右側頭頭頂接合部及び頭頂葉内側の関与で特徴付けられること、3) 場所の既知未知判断に必要な、場所選択的な情報のコードは、有名な場所については左角回で、個人的に親近な場所については右側頭葉内側で、行われていることが示唆された。
Sugiura M, Mano Y, Sasaki A, Sadato N (2011) Beyond the memory mechanism: person-selective and nonselective processes in recognition of personally familiar faces. J Cogn Neurosci 23:699-715.
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