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大脳皮質機能研究系

脳形態解析研究部門

【概要】
 脳形態解析部門では,神経細胞やダリア細胞の細胞膜上に存在する伝達物質受容体やチャネルなどの機能分子の局在や動態を観察することから,シナプス,神経回路,システム,個体行動の各レベルにおけるこれらの分子の機能,役割を分子生物学的,形態学的および生理学的方法を総合して解析する。特に,各レベルや方法論のギャップを埋めることによって脳の機能の独創的な理解を目指す。
 具体的な研究テーマとしては,1) グルタミン酸受容体およびGABA受容体と各種チャネル分子の脳における電子顕微鏡的局在,共存と機能との関係を解析する。2) これらの分子の発達過程や記憶,学習の基礎となる可塑的変化に伴う動きを可視化し,その制御メカニズムと機能的意義を探る。3) 中脳辺縁系,前脳基底核等の情動行動に関与する脳内部位とこれらから大脳皮質への出力機構についてシナプス伝達機構および生理活性物質によるその修飾機構を電気生理学的手法を用いて解析し,それらの分子的基盤を明らかにする。4) ヒトの脳神経症状を引き起こす自己抗体のうち,受容体やチャネル分子などに作用するものをスクリーニングし,機能阻害のメカニズムを探るとともにそれらの分子の脳の高次機能や統合機能における生理的役割を明らかにしていく。5) 脊髄視床路ニューロン活動性の調節とその侵害刺激受容機構における意義を解明する。

グルタミン酸受容体の定量的解析

馬杉(時田)美和子,萩原明,足澤悦子,深澤有吾,重本隆一

 脳内における主要な興奮性伝達物質であるグルタミン酸には,イオンチャネル型のAMPA受容体,NMDA受容体,Kainate受容体とG蛋白共役型の代謝調節型グルタミン酸受容体が存在する。我々は,従来の免疫電子顕微鏡法や新たに開発したレプリカ標識法により,グルタミン酸受容体各サブタイプの局在を高解像度で定量的に解析している。レプリカ標識法を用いたAMPA受容体の解析では,小脳の登上線維―プルキンエ細胞間シナプスなどにおいて平方ミクロンあたり1000個を超える金粒子の標識を達成し,従来法に比べ桁違いの高感度と2次元的な可視化を実現した。今後は,異なるシナプス間や可塑性を発現したシナプスでの受容体の密度変化や分布の変化を解析し,分子形態からの神経伝達調節機構の理解を目指す。

GABAB受容体やイオンチャネルの脳内局在と機能解析

Akos Kulik,萩原明,深澤有吾,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。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や,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となどを報告した。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。その後,GABAB受容体とその効果器分子であるカルシウムチャネルやカリウムチャネルとの位置関係を調べており,さらにGABAB受容体の機能調節機構や脳における役割の解明を目指す。

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型受容体とカルシウムチャネルサブタイプとの選択的共役

籾山俊彦

 黒質−線条体系は大脳基底核を構成する代表的は回路であり,運動調節に関与することが知られている。線条体のアセチルコリン性ニューロンは介在ニューロンであり,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,線条体内のGABA性中型有棘ニューロンからGABA性線維入力を受けるとともに,黒質緻密部からのドーパミン性入力を受けている。これまでの臨床医学的研究によれば,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,維持する上で重要であり,このバランスの崩れとパーキンソン病等の大脳基底核関連疾患が密接に関連していることが示唆されている。線条体のアセチルコリン性ニューロンのD1タイプドーパミン受容体活性化により,同ニューロンが興奮することが知られているが同ニューロンへのシナプス伝達におけるドーパミンの機能はこれまで不明であった。籾山は最近,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(IPSC)が,シナプス前D2タイプ受容体を介して抑制されること,そしてその抑制機構は,シナプス前終末のN型カルシウムチャネルを選択的に遮断することによるカルシウム流入阻害である,ということを見出した。
 中枢神経系のシナプス伝達には複数種のカルシウムチャネルが関与しているが,いくつかのシナプスでは,生後2週位までに,N型チャネルの関与が消失して,P/Q型のみが関与するようになることがラットを用いた研究により報告されている。したがって,たとえば上記疾患と発達・老化との関連を考慮すると,線条体シナプスにおけるN型チャネル関与の生後発達変化およびそれに伴うD2タイプ受容体の機能変化は重要な問題と考えられる。この点を上記線条体シナプスにおいて検討したところ,生後60日位までにN型チャネルの関与徐々に減少するが,完全には消失しないこと,また,N型チャネルの関与の減少に伴って,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。
 次いで,このようなシナプス前D2タイプ受容体とN型チャネルとの選択的共役がアセチルコリン性ニューロンへのシナプス終末に特異的なものなのか,あるいは線条体シナプス終末に普遍的なものなのか,という疑問が生じる。この点を解明する目的で,線条体ニューロンの大多数を占める中型有刺ニューロンへのGABA性シナプス終末におけるドーパミン受容体とカルシウムチャネルサブタイプとの共役について電気生理学的および形態学的解析を進めている。

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】
 大脳皮質の機能を理解するためには,皮質のそれぞれの領域に存在している機能単位としての内部回路の構造とその中で行われている情報処理に関しての知識が必要となるが,今のところ,あまり解明されていない。たとえば,皮質の神経回路は種々のタイプの神経細胞から構成されていることは知られているが,個々の神経細胞の情報処理方式・空間配置や,また,それらの神経結合の法則性に関してはほとんど理解されていない。さらに,神経細胞は,信号の伝達の手段として軸索終末から化学物質を放出するが,化学物質の種類によりそれらが回路網にどのような影響を与えるかについても明らかにする必要がある。本部門では,大脳皮質の内部回路の構造的・機能的解析を行ない,その回路の意味を理解することを目的としている。そのために,局所回路における神経細胞の生理的・化学的特徴,機能的単位構造,各神経細胞間のシナプス結合様式などを電気生理学・免疫組織化学・形態学の技術を用いて調べ,皮質のモデル化のための基礎的データを得ることを目指している。現在は,GABA作働性の介在ニューロンに重点をおいて,サブタイプごとの生理的性質や神経結合を定量的に解析している。本年度は,皮質周期活動時におけるGABA細胞サブタイプの発火様式を明らかにするとともに,GABA細胞から錐体細胞へのシナプス結合様式の形態学的および生理学的な解析を進めた。

大脳皮質周期的活動時におけるGABA細胞サブタイプの発火様式

川口 泰雄

 皮質内抑制を担うGABA作働性細胞サブタイプの機能的役割分担を理解するために,皮質の自発的活動中におけるサブタイプの発火様式を定量化することを試みた。大脳皮質スライス標本で,細胞外マグネシウムを減らしてNMDA受容体を活性化させ,0.1ヘルツ位の自発的な脱分極や,もっと強い同期的興奮(long burst)を引き起こし,これらの同期的活動における,皮質ニューロンの膜電位変動や発火様式を定量的に調べた。その結果,FS細胞が,各時期で最も高頻度発火し,Long burstの最初では,400Hz位まで発火頻度を上昇させた。ソマトスタチン細胞,VIP細胞,大型CCK細胞の発火パターンは,FS細胞とは異なるものであった。大脳皮質ニューロンの発火様式は,興奮性入力の強度・時間パターンだけでなく,化学的・形態的性質の異なるサブタイプに依存して動的に変わることが明らかになった。

大脳皮質非錐体細胞の神経終末が形成するシナプスの3次元的構造

窪田 芳之
川口 泰雄

 大脳皮質の非錐体細胞は少なくとも十種類以上のサブタイプに分類できる。これは,機能的な役割が異なる為と考えられている。従って各サブタイプ毎に出力部位であるシナプス構造に差異がある事が予想できる為,抑制性シナプスの接着構造を3次元的に再構成し検討した。その結果,サブタイプによって出力に若干の違いが認められた。細胞体に対する入力を全く出さないものから,比較的高頻度に入力するものまであった。また,半数以上の神経終末が樹状突起の幹の部分へ入力していた。残りの神経終末は,棘突起に入力していた。面白い事に,これらの棘突起には興奮性と思われる他の入力が頻繁に認められた。一つの興奮性入力のみを選択的に抑制する為の構造であろうと思われる。また,PSDの面積とターゲットの樹状突起の周囲の長さの相関をとったところ,非常に強い正の相関が認められた。効率良く興奮性の信号を抑制する為の構造ではないかと考えている。

大脳皮質投射細胞と高頻度発射型介在神経細胞の神経結合

根東 覚

 大脳皮質内回路の構造と機能を明らかにする目的で,投射細胞と介在神経細胞の神経結合について調べた。生後19日から23日齢のラットより急性スライス標本を作製して,パッチクランプによる2細胞同時記録を行った。介在神経細胞には脱分極性通電により高頻度発火するタイプの細胞に注目した。神経伝達は双方向にある場合と片方向のみの場合とが見られた。神経伝達の振幅は安定しており,Paired-pulse 実験では,興奮性,抑制性神経伝達どちらも抑圧タイプのみが観察された。細胞内染色を行い形態学的に神経結合を調べると,電気生理学的に結合が見られた場合だけではなく,見られなかった場合にも,介在神経細胞から興奮性錐体細胞への結合について,光顕レベルでシナプスと考えられる構造が観察された。シナプスと考えられる数は,錐体細胞から介在神経細胞へは数箇所である一方,その逆は十数箇所に上った。詳細については,現在解析中である。

心理生理学研究部門

【概要】
 PETや機能的MRIなど人間を対象とした非侵襲的脳機能画像と,電気生理学的手法を組み合わせて,短期および長期の学習に伴う脳の可塑的変化,高次脳機能の加齢変化と脳における代償機構の関連を明らかにすることを目的としている。感覚脱失における可塑的変化から派生して,異種感覚統合の脳内機構の解明を目指とともに,言語処理から認知機能にわたる幅広い研究を行った。なお本年度7月,脳機能計測センターに最新型3TMRIが導入されたことを受けて,機能的MRIを遂行するための調整および周辺機器の諸準備とともに,その性能評価をあわせ行った。

聴覚脱失による脳の可塑的変化

定藤 規弘

 異種感覚統合の神経回路を同定する目的で,発話の視覚入力が発話弁別に対してどのように影響するかを健聴者において検証し,さらに聴覚脱失によりこの視聴覚統合をになう神経回路にどのような可塑的変化が起こるかを,機能的MRIを用いて調べた。健聴者においては,読唇において両側聴覚連合野と,ブローカ領を含む左前頭前野から運動前野,そして補足運動野に賦活が見られた。これはブローカ領を含むmirror systemが,視覚的に入力された調音器官の動きの中に符号化された発話メッセージを取り出すことに関与していることを示唆し,それが側頭葉における音響的聴覚的な弁別を高めるのであろうと推論された。聴覚障害者においては,健聴者において読唇により賦活した両側聴覚連合野が,手話により賦活されることが示された。これは中上側頭溝は聴覚及び視覚入力を受ける多感覚領域であることから,早期失聴により両入力の拮抗的バランスが視覚入力に傾き,健聴者において読唇の際にのみ起こる後および中上側頭溝の協調的活動が,biological motionを伴う手話を理解する際に強調されるものと考えられた(福井医科大学,福井大学との共同研究)。

形状認知における視覚・触覚統合の解析

斎藤大輔,定藤 規弘

 形状認知における視覚・触覚統合の神経回路を同定するため,麻雀牌をもちいた形状弁別課題を作成し,機能的MRIを施行した。触覚・触覚,および視覚・視覚の形状弁別課題においては,それぞれ触覚領域および視覚領域の賦活が見られた。一方触覚・視覚間での形状比較においては,前二者と比較して,後部頭頂間溝が両側性に賦活された。このことから後部頭頂間溝が視覚・触覚統合に何らかの役割を果たしていることが示唆された(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
澤本伸克(京都大学医学研究科)

 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ている。特に近年,高次脳機能に関連の深い前頭前野や吻側の運動前野などの大脳皮質連合野を含む大脳基底核−大脳皮質機能ループ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,それを遂行するときのパーキンソン病患者の神経活動をポジトロン断層撮像法をもちいて計測し,健常人と比較した。その結果,健常者では思考速度の上昇にともなって尾状核の活性が増大するのに対して,パーキンソン病においては尾状核の活性増大が認められないことを明らかにした。この所見は,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直接示すものと考えられる。

認知機能における運動前野の機能的有意性

本田 学

 従来運動制御装置の一部と考えられてきた運動前野が運動以外のさまざまな認知的操作の制御をおこなっていることが明らかにされつつある。本研究では,被験者が認知操作をおこなっているときの運動前野の機能を経頭蓋磁気刺激をもちいて一過性に干渉することによって生じる行動学的な変化を統制条件と比べることによって,運動前野の認知活動に関連する役割を明らかにすることを試みた。視覚提示される数字の加算(暗算)をもちいた反応時間課題を設計した。また被験者の解剖学的MRI撮像をおこない,それをもちいて個々の被験者の運動前野を頭皮上で同定するためのナビゲーションシステムと方法論を構築した。その結果,大部分の被験者で誤差を5ミリ以内に抑えることが可能になった。以上のシステムをもちいて,計算課題を遂行しているときの被験者の左運動前野をさまざまな潜時と強度で刺激し,反応時間の変化を評価した。その結果,運動前野の刺激により,反応時間が短縮する可能性が示唆された。

健常者における憑依トランスの発現メカニズム

本田 学,河合 徳枝(筑波大学),大橋 力(千葉工業大学)

 世界中のさまざまな文化圏に共通して観察される健常者の憑依トランスでは,憑依者の意識,感覚,行動に著しい一時的な変容が観察されるが,その神経生理学的基盤についての検討はほとんど未着手である。その一因として,本来の自然な誘導条件下で惹起される憑依トランスの被験者から,生理的指標を計測することが著しく困難であることがあげられる。私たちは,神経活性物質血中濃度および自発脳波をフィールド条件下で計測する手法を開発し,インドネシア・バリ島の祝祭芸能の中で発生する健常者の憑依トランス状態を対象とした計測に成功した。憑依トランスを呈した被験者では,それを呈さず同様の運動のみを行った被験者に比較して,noradrenaline, dopamine, b-endorphinの血中濃度が有意に上昇していた。これは脳内のカテコラミン神経系およびオピオイド神経系が憑依トランスの発現に関与している可能性を示唆するものと考えられる。

日本語の音韻変換課題における機能的MRI研究

関あゆみ,定藤規弘

 言語に含まれる音韻的構成要素を同定し,意図的に操作する能力をphonological awarenessといい,この障害が発達性読字障害の主たる病態の1つであると考えられている。日本語における読字障害の発生率は欧米に比べ顕著に低く,このことから,抽象的な音韻表象を確立し文字との対応関係を習得するという過程において,日本語は有利な特性を持つと考えられてきた。日本語における音韻情報がどのように扱われるか検討するため,健常成人19人を対象とし,聴覚的・視覚的に提示による音韻操作課題を用いて,機能的MRIによる研究を行った。その結果,課題提示の様式により,全く異なる領域が寄与することが示された。聴覚提示課題では両側上側頭回が賦活され,抽象的な音韻表象の操作が聴覚関連領域で行なわれていると考えられた。一方,視覚提示課題では両側頭頂間溝に賦活を認めた。このことは仮名の音韻情報が視空間的情報として処理されることを示唆する。仮名はその音韻構成に従い50音図に規則的に配列されるため,その位置情報が音韻変換課題に利用されたのではないかと考えた。この結果から,音韻情報が視空間情報として単純化されることが,仮名の習得における有利な特性の1つであると考える。

MRI撮像音強度の変化に伴う聴覚野の賦活

岡田 知久

 機能的MRIは言語課題を含めた多くの実験において用いられるが,大きな撮像音は聴覚刺激呈示の妨げになる。その主要発生源となる傾斜磁場を一時的に止めることで相対的静音時間を設け,聴覚刺激呈示を容易にする撮像方法について基礎的な検討を行った。実験1では健聴成人14人を対象に,13-17秒毎に1秒間傾斜磁場を止めた(OFF)ところ,両側聴覚野にOFFに同期した広範な賦活を認めた。うち11人を対象に実験2を行った。12-15秒ごとに5秒間傾斜磁場を止めて,引き続き聴覚野で起こった血流変化を実験1でのOFFに対する応答曲線を用いて解析した。5秒間のOFF期間に伴う血流変化は,ON-OFFとOFF-ONの2つの変化時点に同期した応答曲線の線形和によりその90%以上が説明された。すなわち一次聴覚野は新たな刺激入力が生じた場合のみでなく,それが減少した場合にも,定常状態よりも大きな賦活を示すことが判明した。


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