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【概要】
高次神経性調節部門は視知覚および視覚認知の神経機構を研究対象としている。我々の視覚神経系は複雑な並列分散システムである。そこでは数多くの脳部位が異なる役割を果たしつつ，全体として統一のとれた視知覚を生じる精巧な仕組みがあると考えられる。また二次元の網膜像から世界の三次元構造を正しく理解できる仕組みもそなわっている。視知覚におけるこれらの問題を解明するために，大脳皮質を中心とするニューロンの刺激選択性や，異なる種類の刺激への反応の分布を調べている。具体的な課題として（1）初期視覚野における輪郭の表現，（2）初期視覚野における面の表現，（3）選択的注意による視覚野ニューロン活動の変容，（4）大脳皮質における色情報表現の課題依存性，などに関する研究を行った。
伊藤 南, 小松 英彦
物体の三次元的な構造を知覚する際に必要となる奥行きの情報は，両眼視差以外にも輪郭の形状や遮蔽等の単眼性手掛かりによっても得られる。輪郭線の折れ曲がりや分岐はこうした手掛かりを与える重要な刺激要素であるが，従来の初期視覚系研究においては線や縞刺激の傾きに対する選択性が重視されてきた。我々はサルを訓練し，注視課題遂行中のサルの第二次視覚野から細胞外記録を昨年に引き続き行った。十二方位からの組み合わせにより二本の直線成分をつなぎ合わせて作った輪郭線の折れ曲がりを受容野の中心に呈示して神経細胞の反応を調べた。第二次視覚野には特定の組み合わせ（輪郭線の折れ曲がり）に対して選択的な反応選択性を示す細胞が存在した。その多くは個々の直線成分に対する反応に大きく依存しており，また受容野の周囲に不均一に働く抑制性の作用が選択性を決める上で重要な役割を果たしていることを見出した。このことは第二次視覚野が輪郭線の折れ曲がりや分岐を検出する最初のステップであることを示唆する。
谷 利樹, 横井 功, 伊藤 南, 小松 英彦, 田中 繁（理研）
初期視覚系のニューロンは線や境界部分に選択的に反応し，輪郭線の表現に関係すると考えられてきたが，近年になり面の表現との関係を指摘する報告がなされている。我々は面情報解析の神経メカニズムを探ることを目的として，面刺激に特異的に反応する領域がネコの初期視覚系に存在するかどうかを内因性信号による光計測により調べてきた。その結果，ディスプレイの画面を一枚の面と考えてその輝度を矩形波状に交互に反転させると，18野に面の輝度反転により活動する領域が17/18野境界に沿うようにいくつかに分かれて存在することが分かった。さらに面の輝度反転に反応する領域が18野の方位選択性地図の特異点とよく重なることが明らかになった。本年は光計測の結果をもとに面の輝度反転に反応する領域の内外に微小電極を刺入し細胞外記録を行った。その結果，個々の細胞レベルにおいても上記のような結果と整合するような性質を持つ細胞を多数記録した。さらに領域外においては一部の方位選択性地図の特異点付近に面の輝度反転に反応する細胞が存在することを見いだした。この結果は面の表現の情報処理が初期視覚系に存在し，かつ輪郭線の処理と何らかの関係を持つことを示唆する。
小川 正, 小松 英彦
複数の特徴次元で構成された刺激の中から特定の次元に選択的に注意を向けて目標を探す視覚探索課題をサルに行わせ，V4野からニューロン活動を記録し視覚刺激呈示後の応答を調べた。呈示される6つの刺激の中には色および形の特徴次元で目立つ刺激が1つずつ含まれ（例えば1つの赤四角，1つの緑丸，4つの緑四角），どちらかの刺激にサッカードを行うと報酬がもらえる。どちらの次元で目立つ刺激を目標とするかは，注視点の色を変えることにより教示した。V4ニューロンの活動を解析した結果，（1）受容野内の刺激が色（または形）次元で目立つか否かを表現する細胞群が存在した。（2）さらに，色次元で目立つ刺激を表現する細胞群は色次元で探索する場合にニューロン活動をより増大させた。同様の傾向は形次元でも見られた。前者の活動はボトムアップ性の注意効果を，後者はトップダウン性の注意効果を表現していると考えられる。
鯉田 孝和, 小松 英彦
色は数値で記述することが容易なため，知覚のゴールである認知カテゴリー研究にとって色覚は有利なテーマである。色カテゴリーの分布やニューロンの色表現を明らかにするために，色を記述する何らかの座標空間が必要である。しかしこれまで用いられてきた座標空間では，色刺激間の距離と，知覚の上の距離の関係が明確でなかった。我々は，知覚距離として弁別閾値をとりあげ，これを正確に反映する新しい色座標空間を信号検出理論を用いて作成した。まず，サルに色刺激を時間順に二つ呈示し，それらが違うか同じかをGOまたはNO-GOで答えさせる色弁別実験を行なう。得られた行動結果から算出できる値（d'）は，心理尺度での色差に相当する。d'が一定になるよう等間隔に配置された色セットは，色弁別能力という心理尺度で均等に離れた刺激セットになる。2頭のサルにおいて，この方法により色座標空間を求めた。この色座標空間を用いることにより，個体間での色カテゴリー，ニューロン特性を同じ心理尺度から比較することができる。
【概要】
生体システム研究部門では姿勢制御および歩行運動の高次制御に関わる中枢神経機序の理解を深めることを研究目標としている。このために以下の課題を行った。（1）長期の運動学習に伴う若齢ニホンサルの直立二足歩行運動能力の獲得に関する運動力学的研究,（2）経頭蓋磁気刺激法による大脳皮質運動野−下肢・体幹筋への成長発達に伴うシグナル伝達様式の経時的変化に関する研究,（3）サル直立二足歩行モデルにおける水平トレッドミル二足歩行と四足歩行運動の実行およびより複雑な歩行課題（障害物トレッドミル歩行課題）の実行に関与する脳領域の同定を試みた非侵襲機能画像法（PET）を用いた研究,（4）PETにより同定された各脳領域の機能的意義の同定を試みた脳機能不活化法による研究,（5）選択的微小刺激および破壊法によるネコ小脳歩行誘発野の機能的意義の同定,（6）小脳歩行誘発野の基本的構成要素である室頂核に注目した室頂核視床路の微細投射様式の組織解剖学的研究である。これらの研究は1名の研究者単独で実施することは困難であり,技術課森,高須両技官を含めた部門員全員により実施された。得られた研究成果は国内外の学会およびシンポジウムで発表し,一部はすでに論文発表されている。本年度3月には森（茂）がProf. Wiesendanger, Prof. Stuartとともにオーガナイザーとなり国際シンポジウム“Higher Nervous Control of Posture and Locomotion: Parallel and Centralized Control Mechanisms”を開催した。
中陦 克己，森 大志，橘 篤導，森 茂美
左右の小脳室頂核からは同側性および交叉性の遠心路が始まる。この交叉性遠心性線維は小脳白質正中部で交叉して鈎状束を形成する。除脳ネコにおいてこの鈎状束の正中部（小脳歩行誘発野cerebellar locomotor region, CLR）を連続微小電気刺激すると流れベルト上で制御歩行が誘発できる。本研究の目的は中枢無傷ネコの姿勢および歩行制御におけるCLRの機能的意義の解明である。そのため第一に中枢無傷・覚醒ネコのCLRを連続微小電気刺激した。刺激を加えるとネコは協調的な歩行運動を開始した。第二にCLRを電気的に凝固破壊した。CLRを破壊されたネコでは前後肢の協調運動は障害され，ネコは方向転換を試みるとバランスを崩してしばしば転倒した。以上の結果は姿勢および歩行制御において室頂核からの交叉性遠心性運動指令が頭頚部・体幹および四肢運動分節の動きを時間的空間的に強調させる可能性を示唆する。
森 大志，橘 篤導，中陦克己，高須千慈子，逵本 徹，塚田秀夫（浜松ホトニクス（株）），森 茂美
長期の報酬条件付け運動学習により二足歩行能力を獲得したニホンサル（M. fuscata）は様々な外的環境下で最適な歩行パラテータを選択して安定した二足歩行を実行する。本研究ではこの直立二足歩行モデルを用い，二足および四足歩行運動の実行に直接的に関与する脳領域を糖代謝PET法を用いて同定することを研究目的とした。そのために2頭の成サル歩行モデルを用いた。放射線透過吸収率測定の後に[18F]FDG (fluoro-2-deoxy-D-glucose)を投与し，トレッドミル上での二足・四足歩行運動課題を実行させた。座位姿勢の維持をコントロール課題とした。歩行・コントロール課題実行後に脳糖代謝測定を行い，それぞれの歩行運動課題とコントロール課題とを比較検定して糖代謝が亢進している脳領域を同定した。2頭のサルともに二足歩行課題では特に補足運動野・一次運動野・小脳虫部で，一方，四足歩行運動では一次運動野・小脳半球で糖代謝の亢進すなわち神経活動の増強が観察された。これらの結果から二足および四足歩行運動は一部異なる要素的神経制御機構を動員して実行されていることが示唆された。
森 大志，中陦克己，高須千慈子，森 茂美
長期の報酬条件付け運動学習によりニホンサル（M. fuscata）は二足歩行能力を獲得する。本研究ではこれらの動物モデルを対象として，成長発達と運動学習によりサル大脳皮質運動野−脊髄下行性シグナルの伝達様式が経時的にどのように変化するかを経頭蓋磁気刺激法を用いて非侵襲的に検討した。ケタミン軽麻酔下でサル頭部（主に一次運動野と考えられる領域）に磁気刺激を加え，刺激により導出される筋活動を記録した。刺激の局所化をはかる目的で本研究では独自に開発した小型8の字コイルを用いた。得られた誘発筋電図を複数回加算平均し，応答潜時，振幅などの定量解析に用いた。得られた成績から成長発達と運動学習にともない，上肢・体幹・下肢筋郡に順に成熟パターン（早い伝導速度と同一刺激強度に対する筋収縮の増強）の伝達様式が観察された。これらの結果は脊髄下行性伝達経路が吻尾側方向に成熟していることを示唆し，二足歩行未学習サルが安定した二足歩行能力を獲得する際にみられる吻尾側方向への協調運動の確立所見と合致した。
Janos Palhalmi，奥村 哲，Katalin Kekesi，森 大志，森 茂美
本研究では線条体コリン作動性介在神経細胞の働きを明らかにする目的でマイクロダイアリシスプローベを両側のラット線条体に埋め込み，右側をアセチルコリンのアゴニストであるカルバコール(10-50 mM)を溶解した生理的人工脳脊髄液で持続的に潅流した。潅流開始から約30分後からラットは全身の抗重力筋活動を著しく増強するとともに，刺激側（右側）と反対方向（左側）への回転運動（4〜6回/min）を始めた。線条体のカルバコール潅流開始から30分，60分，90分後にラットを安楽死させ全脳標本を速やかに摘出した。これらの標本から神経細胞活動の程度を反映すると考えられているc-fosタンパクの発現様式を全脳の前額断切片（厚さ50 μm）上で定量的に解析した。その結果，刺激側（右側）の感覚-運動皮質を含む広範な皮質領域，線条体，淡蒼球，および視床で強いc-fosタンパクの発現が観察された。
J. Czarkowska-Bauch，奥村 哲，中陦克己，森 茂美
ネコを用いて室頂核-視床路終末線維の視床における分布様式と形態的特徴を解析し，室頂核-網様体路，同-前庭路終末線維の形態学的特徴と比較した。一側の室頂核に神経標識物質（BDA）を定位的に微小注入し，12日間後にネコを安楽死させ脳標本を摘出した。この標本の前額断連続切片（50μm）を作成し，間脳および脳幹に存在する室頂核に起始する軸策線維を順行性に標識した。室頂核-視床路では軸策線維は両側に存在したが，交叉性の投射が優位であり，主として髄板内核群と腹側核群に分布していた。軸策線維は終末部付近で細かく分枝し，各枝には多数の膨大部（φ：1.5-2.5μm）がブドウの房様に集合して存在した。視床では各膨大部の神経細胞体に対する光顕的近接像（close apposition）は少なかったが，脳幹網様体および前庭神経核では多くの膨大部が大型細胞の細胞体と樹状突起の起始部付近に光顕的近接像を形成していることを観察した。
Arpad Dobolyi，奥村 哲，森 大志，森 茂美
AChE組織化学法を用いてラット腰髄のAChE陽性細胞の生後発達様式を解析した。その結果AChE陽性細胞として運動神経細胞(MN)，交感神経細胞に加えて，灰白質中間質の内・外側に存在する2種類のpartition neurons (PN)，中間質の中央に存在する大型細胞，後角第I層に存在する小型で扁平な細胞を同定した。それらの生後発達について検討したところ，PNは生後1-8日目から存在し，他の細胞に比べてAChEを強く発現していた。PNはAChEを強く発現する樹状突起の枝を主として内外側方向に，一部を吻尾側方向に拡げており，MNプールの方向にのびる線維も観察された。近年，中枢神経系においてAChEがtrophic function を持つことが明らかにされてきた。これらの結果は，PNがMNなどの脊髄神経ネットワークの生後発達に関連し，trophic な機能を持有することを示唆した。
奥村 哲，Arpad Dobolyi，松山清治，森 大志，森 茂美
本研究はネコ線条体の出力細胞に対するセロトニン神経支配様式を明らかにすることを目的した。そのため神経標識物質（BDA）を線条体出力細胞の主たる投射先である淡蒼球，黒質網様部，脚内核にそれぞれ微小注入し出力細胞を逆行性に標識・同定し，さらにセロトニン線維を2重に標識した。出力細胞は4〜6本の樹状突起をもつ中型で有棘の細胞であった。出力細胞は多くのセロトニン線維に囲まれており，両者間に多くの光顕的近接像 (close apposition) を観察した。光顕的近接像は主に出力細胞の樹状突起に観察され，20〜30％はその近位に，60〜70％は遠位に存在した。この分布の特徴には出力先による差は認められなかった。本年はさらにこれらのセロトニン線維と線条体ニューロン間の接続について電子顕微鏡的観察を試みた。その結果，いくつかのシナプス接合を観察することができた。
橘 篤導，森 大志，Carol A. Boliek，高須千慈子，森 茂美
若齢ニホンサルは長期の報酬条件付け運動学習により直立二足歩行能力を獲得する。本研究では直立二足歩行能力を獲得した青年期のサルが障害物を設置したトレッドミル上での二足歩行運動課題に対して，その学習過程で，どのような歩行ストラテジーを動員してその課題を解決するのかを明らかにすることを目的とした。そのため高さの異なるブロック状の障害物1つをトレッドミル左一側に設置した。第1日目の試行（高さ3cm障害物）では不十分な視覚情報のために，つまずく頻度が高く，姿勢に大きな乱れが生じた。しかし，サルはつまずいた後に直ちに転倒防御姿勢を取り，以前の安定した二足歩行を継続した（適応制御）。第2日目（5cm障害物）ではサルは十分な視覚情報を入力し障害物の存在を認知することが可能となり，障害物をクリアする際に股・膝関節屈曲ストラテジーを動員し（視覚運動強調），足と障害物の間に充分な空間を作成してつまずくことなく歩行を継続した。さらに予め，下肢運動軌跡を通常より高くし，障害物との遭遇に備えるような歩容も示した（予測制御）。第3日目（7cm障害物）になると，より高い障害物にも対応させた下肢運動軌跡をとることができた。これらの結果はサルは新しい歩行運動課題学習初期過程で，その課題解決に必須な感覚運動情報の統合をこれまでに獲得した二足歩行制御機序に加えて解決したことを示唆した。
【概要】
我々は視覚性認知記憶の大脳メカニズムについて研究を行っている。記憶対象の脳内表現は大脳側頭葉連合野に貯えられ，側頭葉連合野への各々の入力経路が記憶形成，想起の過程において独自の機能を果たしているとの作業仮説の検証を行っている。
Naya Y, Yoshida M, Ito A, Shibata S, Miyashita Y
The macaque inferotemporal (IT) cortex, which serves as the storehouse of visual long-term memory, consists of two distinct but mutually interconnected areas: area TE (TE) and area 36 (A36). In the present study, we tested whether memory encoding is put forward at this stage, i.e., whether association between the representations of different but semantically-linked objects proceeds forward from TE to A36. To address this question, we trained monkeys in a pair-association memory (PA) task, after which single-unit activities were recorded from TE and A36 during PA trials. Neurons in both areas showed stimulus-selective cue responses (347 in TE, 76 in A36; ‘cue-selective neurons’) that provided, at the population level, mnemonic linkage between the paired associates. The percentage of neurons whose responses to the paired associates were significantly (P ＜ 0.01) correlated at the single-neuron level (‘pair-coding neuron’) dramatically increased from TE (4.9% of the cue-selective neurons) to A36 (33%). The pair-coding neurons in A36 were further separable into Type1 (68%) and Type2 (32%) based on their initial transient responses after cue stimulus presentation. Type1 neurons, but not Type2 neurons, began to encode association between paired stimuli as soon as they exhibited stimulus selectivity. Thus, the representation of long-term memory encoded by Type1neurons in A36 is likely substantiated without feedback input from other higher centers. Therefore, we conclude that association between the representations of the paired associates proceeds forward at this critical step within IT cortex, suggesting selective convergence onto a single A36 neuron from two TE neurons that encode separate visual objects.
Yoshida M, Naya Y, Ito A, Shibata S, Miyashita M
A number of studies have shown that the perirhinal (PRh) cortex, which is part of the medial temporal lobe memory system, plays an important role in declarative long-term memory. The PRh cortex contains neurons that represent visual long-term memory. The aim of the present study is to characterize the anatomical organization of forward projections that mediate information flow from visual area TE to memory neurons in the PRh cortex. In monkeys performing a visual pair-association memory task, we conducted an extensive mapping of neuronal responses in anteroventral area TE (TEav) and area 36 (A36) of the PRh cortex. Then, three retrograde tracers were separately injected into A36 and the distribution of retrograde labels in TEav was analyzed. We focused on the degree of divergent projections from TEav to memory neurons in A36, because the highly divergent nature of these forward fiber projections has been implicated in memory function. We found that the degree of divergent projection to memory neurons in A36 was smaller from the TEav neurons selective to learned pictures than from the nonselective TEav neurons. This result demonstrates that the anatomical difference (the divergence) correlates with the physiological difference (the neuronal selectivity to the learned pictures). Because the physiological difference is attributed to whether or not the projections are involved in information transmission required for memory neurons in A36, it can be speculated that the difference in the divergence may be the result of acquisition of visual long-term memory.
Nakahara K, Hayashi T, Konishi S, Miyashita Y
Functional brain organization of macaque monkeys and humans was directly compared by functional magnetic resonance imaging. Subjects of both species performed a modified Wisconsin Card Sorting Test that required behavioral flexibility in the form of cognitive set shifting. Equivalent visual stimuli and task sequence were used for the two species. We found transient activation related to cognitive set shifting in focal regions of prefrontal cortex in both monkeys and humans. These functional homologs were located in cytoarchitectonically equivalent regions in the posterior part of ventrolateral prefrontal cortex. This comparative imaging provides insights into the evolution of cognition in primates.
Kikyo H, Ohki K, Miyashita M
The ''feeling-of-knowing'' (FOK) is a subjective sense of knowing a word before recalling it, and the FOK provides us clues to understanding the mechanisms of human metamemory systems. We investigated neural correlates for the FOK based on the recall-judgment-recognition paradigm. Event- related functional magnetic resonance imaging with a parametric analysis was used. We found activations in left dorsolateral, left anterior, bilateral inferior, and medial prefrontal cortices that significantly increased as the FOK became greater, and the activations remained significant even when the potentially confounding factor of the response latency was removed. Furthermore, we demonstrated that the FOK region in the right inferior frontal gyrus and a subset of the FOK region in the left inferior frontal gyrus are not recruited for successful recall processes, suggesting their particular role in metamemory processing.
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