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大脳皮質機能研究系脳形態解析研究部門【概要】 GABAB受容体の脳内局在と機能解析Akos Kulik，重本隆一 脳内における主要な抑制性伝達物質であるGABAには，イオンチャネル型のGABAA受容体とG蛋白共役型のGABAB受容体が存在する。GABAA受容体は，GABA作動性シナプスに主に存在することが知られていた。我々は，免疫電子顕微鏡法によりGABAB受容体が小脳ではGABA作動性シナプスではなく，興奮性のグルタミン酸作動性シナプスの周囲により集積していることを見いだした。また，視床においてはいずれのシナプスとも強い関連なく広範に分布しているが，GABA作動性シナプス周囲により密度が高い。これらの結果は，GABAB受容体が脳の部位により異なる役割を持っていることを示唆している。今後これらの受容体によって活性化される機能分子の共存や機能調節機構を解析することにより，さらにGABAB受容体の脳における役割の解明を目指す。 mGluR3とAQP4の共存と生理的意義の解析馬杉美和子，藤本和（福島県立大学），重本隆一 我々は藤本によって開発されたSDS-FRL法をさらに改良し，細胞膜上機能分子の局在や共存を解析するスクリーニングを開始した。SDS-FRL法は，従来細胞膜の構造を観察するために用いられてきたFreeze Fracture Replicaを金標識でラベルする方法で，複数の細胞膜上分子の分布を２次元的に解析するのに適した利点を持っている。この方法により代謝調節型グルタミン酸受容体mGluR3と水チャネルであるAQP4が，アストロサイトの細胞膜上で共存することを見いだした。そこで，この共存の生理的意義を確かめるためにCHO細胞に両分子を発現させ，共存を確認している。さらに，この共存はmGluR3を活性化することで消失する事を明らかにした。今後，これらの分子の集合離散を引き起こすメカニズムやその機能的な意義について解析をすすめる。 HCN channelの脳内局在の解析納富拓也，重本隆一 Hyperpolarization Cyclic Nucleotide-gated (HCN)チャネルは神経の発火周期に深く関与していると考えられている。現在，HCN1から4までのチャネル遺伝子がクローニングされている。本研究ではHCNチャネルに特異的な抗体を作製し，光学顕微鏡・電子顕微鏡レベルでの局在分布を検討している。各HCNチャネルは，それぞれ特異的な脳内分布を示し，軸索終末，細胞体，樹状突起などに多様な免疫陽性像が認められた。HCN1とHCN2については，大脳皮質および海馬において錐体細胞の特に遠位の樹状突起に強い陽性像が認められ，電気生理学的に報告されている所見に呼応している。今後は，さらに電子顕微鏡的な観察をすすめ，シナプスや各種電位依存性チャネルとの位置関係を解析し，HCNチャネルによる神経細胞の活動性調節機構を探る。 シナプス前ドーパミンD2型受容体とN型カルシウムチャネルとの選択的共役籾山俊彦 線条体のアセチルコリン性介在ニューロンは，運動調節に関与する大脳基底核におけるアセチルコリンの主たる供給源である。このニューロンは，黒質緻密部からのドーパミン性入力を受けているが，線条体におけるドーパミンとアセチルコリンのバランスが，運動機能を制御する上で重要と考えられている。本研究では，線条体アセチルコリン性ニューロンから記録したGABA性抑制性シナプス後電流が，シナプス前D2型受容体を介して抑制されること，その抑制機構はシナプス前終末のN型カルシウムチャネルの選択的遮断であることを見出した。さらに，上記線条体シナプスにおいては生後60日位までにN型チャネルの関与が徐々に減少し，D2タイプ受容体を介する抑制の程度も減少することを見出した。 mGluR1の活性化を阻害する自己抗体による小脳失調症木下彩栄，重本隆一 ヒトのホジキン病患者で小脳失調症を併発する例のあることが知られていた。我々はこのような症例の一部に代謝調節型グルタミン酸受容体mGluR1の活性化を阻害する自己抗体が存在する事を突き止めた。この自己抗体をマウスの小脳付近のくも膜下に注入することにより，小脳失調症状を再現することに成功し，受容体阻害抗体が機能的にヒトの脳神経症状を引き起こすことを初めて証明した。さらに，患者の臨床検査やこの自己抗体を注入した動物を用いた実験から，運動学習や心拍除脈条件付けなどにおけるmGluR1の役割が明らかとなってきた。また，他の受容体やチャネル分子などの機能分子に作用するものをスクリーニングし，ヒトの病態に関係のあるものを見つけだすとともに，機能阻害のメカニズムを探ることを目指している。 ラット脊髄視床路ニューロン活動性の解析籾山明子 末梢組織から脊髄へ入力された侵害信号出力は脊髄視床路ニューロン軸策から上位中枢である視床の中継核へ送られる。視床のVPL核に蛍光ラテックスビーズを注入することによって，脊髄視床路ニューロンを逆行性に標識し，腰髄スライス標本においてこれを同定してパッチクランプ記録を行った。脊髄視床路ニューロンの細胞内通電による発火特性はadaptationを伴う規則的な発火パターンを示した。また脊髄視床路ニューロンにはHCNチャネル活性がみられ，これがEPSPやIPSPの入力に引き続くダイナミックな膜電位変化に貢献していることが示唆された。さらに，EPSPの低頻度繰り返し刺激を行うと，脊髄視床路ニューロンの興奮性が次第に増強し，誘発されるスパイク数が増加する，いわゆるwind-upが観察され，これはNMDA受容体のブロッカーの投与によって抑制された。wind-upの詳しい発生機構について，現在検討中である。 大脳神経回路論研究部門【概要】 線条体介在ニューロン軸索終末におけるシナプス接合部の定量的解析川口泰雄 線条体の介在ニューロンのうち，パルブアルブミン陽性のFS細胞とソマトスタチンを発現するLTS細胞の終末にGABAが存在することを見つけたので，これら二種類のGABA作働性細胞の機能的差を明らかにするために，軸索終末の後シナプス要素を調べた。FS細胞は樹状突起と細胞体にシナプスを作るのに対して，LTS細胞は主に樹状突起にシナプスしていた。少数ながら，スパインにシナプスしている終末も両方にあった。シナプス前ブトンの体積，シナプス接合部の面積，シナプス後部の樹状突起の周径の関係を調べた。FS細胞の軸索終末のシナプス接合部の面積は，樹状突起が太くなれば，それに比例して大きくなるのに対して，LTS細胞のシナプス接合面は，樹状突起の太さにあまり関係なく，比較的一定であった。シナプス接合部の面積は，シナプス後要素の大きさに依存して変わるが，その依存性はGABA細胞のサブタイプによって異なることがわかった。 アセチルコリン投射系による大脳皮質局所回路の修飾根東 覚 大脳皮質の重要な入力は，他の皮質と視床からの興奮性投射である。この他に，大脳基底部からのアセチルコリン，青斑核からのノルアドレナリン，縫線核からのセロトニンなどの投射があるが，これらは皮質の活動状態を調節している。これらの伝達物質は錐体細胞に直接作用するだけでなく，GABA細胞を介して間接的に錐体細胞に影響すると考えられる。カルバコールやムスカリンをある程度持続的に脳切片標本にかけると，抑制性シナプス電流の増大のパターンには，持続的に増えているのと，0.1 から0.3 ヘルツの周期でバースト状に上昇するものの二種類があることがわかった。このうち周期的に増大する抑制性電流については，同一切片上の２つの細胞から同時に記録された場合には，低周波のバーストリズムは同期していたが，個々の抑制性電流は，同期していないことが多かった。アセチルコリン投射系は，GABA介在細胞に作用をおよぼし，局所回路の興奮性や周期的活動を調節していると考えられる。 心理生理学研究部門【概要】 感覚脱失による脳の可塑的変化定藤 規弘 視覚：触覚から視覚系への可塑性を詳細に調べる目的で，晴眼者および盲人における，探索運動を伴わない点字触覚弁別に要する神経回路の活動を，３TMR装置を用いて計測した（福井医科大学との共同研究）。盲人の点字読において，一次視覚野の賦活には年齢依存性がある一方，視覚連合野のそれには年齢依存性がないことをしめした。 新生児期における脳可塑性の画像化定藤 規弘 新生児期における可塑的変化に関連して，機能的MRIを用いて新生児の一次視覚野及び外側膝状体の光反応性の経時変化を詳細に検討するとともに，MR信号に関するモデルを用いてシュミレーションを行った。さらに白質髄鞘化との比較を行った。これらにより生後２カ月を境に変化するのは一次視覚野におけるシナプス過形成に伴う酸素代謝であることが示唆された。これに基づき乳幼児における脳賦活を近赤外線計測により計測する試みを開始した（福井医科大学との共同研究）。 パーキンソン病における思考速度の低下本田 学 大脳基底核は，出力標的の一つである視床を介して広範な大脳皮質に情報を発すると同時に，入力部には大脳皮質からの精緻な情報が収斂し，大脳皮質との間にループ回路を形成し，一連のループ回路のなかで統合処理された情報が，完成された運動指令として脳幹や脊髄に伝達される。また大脳基底核は，一次運動野をはじめ，運動前野，補足運動野，前補足運動野，帯状皮質運動野などさまざまな運動関連領野とループ回路を形成するだけでなく，高次脳機能に関連の深い前頭前野をはじめとする大脳皮質連合野とも密接な神経線維連絡をもつことが知られている。こうした解剖学的知見をふまえ，近年，大脳基底核が思考をはじめとするヒトの非運動性機能にはたす役割が注目されてきている。運動速度の影響を排して思考速度を評価するための行動課題を開発し，パーキンソン病における思考速度の評価をおこなった。その結果，パーキンソン病においては，思考を制御する視覚刺激の呈示速度が遅いときには，健常者群と正答率に差がないものの，刺激呈示速度の上昇にともなって有意に正答率が低下した。こうした傾向は，空間的な表象をもちいた思考課題よりも，より抽象的な言語表象をもちいた思考課題においてより顕著であった。これらの所見は，パーキンソン病で機能低下の見られる大脳基底核が，運動のみならず思考の制御にも重要な役割をはたすことを示唆するものと考えられる。 そろばん熟練者の暗算能力の神経基盤本田 学 暗算によるそろばん（心内そろばん）に関わる脳内基盤を，磁気共鳴機能画像（ｆＭＲＩ）を用いて検討した。そろばん熟練者６名及びそろばんの経験のない対照被験者８名が，ＭＲＩ（１．５Ｔ）にて全脳をカバーするエコープラナー像を撮像中に，視覚刺激に基づく暗算課題（熟練者１−６桁，対照被験者１桁），空間表象操作課題，言語表象操作課題を行った。３０秒間の各課題を注視課題と交互に繰り返し，各課題終了時に課題遂行の確認を行った。解析にはＳＰＭ９９を用いた。空間表象操作課題と言語表象操作課題に伴う脳賦活はそろばん熟練者群と対象者群で同様であった。暗算課題では，そろばん被験者が，空間表象操作課題遂行時と非常によく似た賦活を示したのに対し，対照群は言語情報操作課題と似た賦活の分布を示した。運動を実行せずとも，心内で忠実にイメージすることができる心内そろばんの能力は空間情報を操作する脳内機構に基づいている。 ヒトの可聴域上限をこえる空気振動に対する感受性についての研究本田 学 ヒトの可聴域上限をこえる空気振動の有無が可聴域音の音知覚におよぼす影響とその神経機構についての検討を行った。音響工学の分野では，ディジタル・オーディオのフォーマット策定に関連して，人間の音質知覚に影響をおよぼす空気振動の周波数上限が20kHzをこえるかどうかについて，歴史的な議論が繰り広げられてきた。私たちは，可聴域上限を超える音と可聴域音とを互いに干渉することなく呈示可能な信頼性の高い実験系を構築した上で，脳電位記録および脳血流測定を用いて，音質に対する主観的評価とは独立に脳活動をとらえた。その結果，可聴域を超える高周波成分を豊富に含む音を聞いているときには，それを含まない音を聞いている時に比較して，視床および脳幹の血流が有意に増加し，またその活性と有意に相関して脳波後頭部優位律動のパワーが増大することを発見した。さらにこうした現象の時間特性を十分に考慮して音質評価実験をおこなうと，高い有意性と再現性をもって音質差が知覚されうることを証明した。ハイパーソニック・エフェクトと名付けられたこうした一連の現象についての研究成果は，音響工学分野で現在世界的なトピックスになっているＳＡＣＤおよびＤＶＤオーディオの市場化をはじめとするハイデフィニッション・オーディオの新規格開発の直接の導火線となった。 多変量自己回帰モデルをもちいた補足運動野−一次運動野間の機能連結評価本田 学 脳が発達や学習にともなって新たな機能を獲得したり，損傷によって失った機能を代償したり回復したりする過程で，脳の異なる領域間の機能的な関連性の強さ（機能連関）の変化が決定的に重要な役割をはたすと考えられる。異なる脳領域間に双方向性の神経線維連絡が存在しフィードバックシステムが想定される場合には，領域間機能連関の評価法として現在広く用いられている脳波・脳磁図のコヒーレンス解析は不適切な可能性がある。そこで双方向性神経線維連絡をもつ複数の運動関連皮質から直接記録された脳波を対象として，赤池らによって提唱された多変量自己回帰モデルをもちいたフィードバックシステム解析を行った。てんかんの外科的治療を目的として留置された硬膜下電極をもちいて，右上腕筋の等尺持続収縮中の大脳皮質脳波を運動対側の左一次運動野および左補足運動野より皮質脳波を記録した。ユールウォーカー法により多変量自己回帰係数をもとめ，それに基づいて領域間のインパルス応答関数ならびに相対ノイズ寄与率を算出した。その結果，一次運動野と補足運動野の間には，相互フィードバック関係が存在し，補足運動野が一次運動野に及ぼす影響は，逆方向の影響に比べて有意に大きいことが明かとなった。 一次視覚野における周波数依存性反応：1.5テスラと3テスラでの比較岡田 知久 機能的磁気共鳴画像法(fMRI)で用いられる血中酸素濃度依存性(BOLD)コントラストによる信号増加は静磁場強度の１〜２乗に比例して増加するとされているが，その増加量は報告により異なる。これらの違いの原因としては撮像条件や比較条件の違いの他に，個々の実験間の再現性がMRIではあまり高くない事があげられる。CohenとDuBois (1999)は予測される信号変化と実際の信号変化の間で回帰直線を描き，その傾きを比較する事でより再現性のある比較が可能である事を示した。そこで一次視覚野では周波数に応じて直線的な信号変化を示す事を利用して1.5テスラと3テスラMRIにおける信号変化量を比較した。
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