生理学研究所年報2002

9.マルチニューロン活動と脳内情報処理（3）

2001年10月25日－10月26日
代表：櫻井芳雄（京都大学大学院文学研究科心理学研究室）
世話人：小松英彦（国立共同研究機構生理学研究所）

（１）: マルチニューロン活動同時記録を用いた神経細胞集団による情報表現の解析

田村弘，金子秀和，藤田一郎（大阪大学基礎工学研究科，産業技術総合研究所人間福祉医工学研究部門）
（２）: 網膜神経節細胞間における相関発火と刺激依存性

石金浩史，雁木美衣，立花政夫（東京大学人文社会系研究科）
（３）: 皮質神経回路モデルのダイナミクスとマルチニューロンレコーディング解析

渡辺正峰（東京大学工学系研究科）
（４）: 運動学習課題遂行中の一次運動野の神経細胞活動

宮下英三（東京工業大学総合理工学研究科）
（５）: 経路選択課題遂行時のサル前頭前野細胞活動の同時多点記録と相互相関解析

坂本一寛，虫明元（東北大学電気通信研究所，東北大学医学研究科）
（６）: サルによる時間情報の保持と前頭連合野のマルチニューロン活動

　　　　　　　　　　　　櫻井芳雄，高橋晋，井上雅仁（京都大学文学研究科，慶応義塾大学理工研究科，京都大学霊長類研究所）
（７）: ラットおよびサル海馬体におけるマルチニューロン活動

西条寿夫，田淵英一，堀悦郎，梅野克身，小野武年（富山医科薬科大学医学部）
（８）: ポピュレーション・ベクトル解析法を用いた前頭連合野ニューロン群の空間情報処理の可視化

竹田和良，船橋新太郎（京都大学人間環境学研究科）
（９）: プリズム適応における大脳皮質ニューロンの機能的役割

蔵田潔（弘前大学医学部）
（10）: マルチニューロン活動からみた大脳皮質基底核機能連関

木村實（京都府立医科大学医学部）

【参加者名】
櫻井　芳雄（京都大学文学研究科），田村　弘（大阪大学基礎工学研究科），金子　秀和（産業技術総合研究所人間福祉医工学研究部門），石金　浩史（東京大学人文社会系研究科），立花　政夫（東京大学人文社会系研究科），渡辺　正峰（東京大学工学系研究科），宮下　英三（東京工業大学総合理工学研究科），坂本　一寛（東北大学電気通信研究所），虫明　元（東北大学医学研究科），高橋　晋（慶應義塾大学大学院理工学研究科），西条　寿夫（富山医科薬科大学医学部），竹田　和良（京都大学人間環境学研究科），蔵田　潔（弘前大学医学部），木村　實（京都府立医科大学医学部），渡辺由美子（京都大学人間環境学研究科），居垣　紗織（京都大学人間環境学研究科），一原　里江（京都大学人間環境学研究科），佐々木　優（京都大学文学部人文学科），中野　真人（京都大学医学研究科），佐藤多加之（筑波大学医学研究科），伊藤　浩之（京都産業大学工学部情報通信工学科），平田　昭夫（京都産業大学工学部情報通信工学科），服部　幹郎（京都産業大学工学部情報通信工学科），今村　敦史（京都産業大学工学部情報通信工学科），谷　淳（理化学研究所脳科学総合研究センター），一戸　紀孝（理化学研究所脳科学総合研究センター），山名美智子（理化学研究所脳科学総合研究センター），内田　豪（理化学研究所脳科学総合研究センター），斉藤　朝輝（理化学研究所脳科学総合研究センター），平田　豊（中部大学工学部電子工学科），深井　朋樹（玉川大学工学部），中村　清彦（東京工業大学大学院総合理工学研究科），稲瀬　正彦（近畿大学医学部第一生理），古賀　毅（東京大学大学院総合文化研究科），荒木　修（北陸先端科学技術大学院大学知識科学研究科），渡辺　秀典（東京大学工学系研究科），神田　寛行（㈱ニデック技術部ニデック視覚研究所），郷原　一壽（北海道大学大学院工学研究科），高田　昌彦（東京都神経科学総合研究所），湯本　直杉（東京都神経科学総合研究所），彦坂　和雄（東京都神経科学総合研究所），高橋　和巳（福島県立医科大学医学部），辻本　悟史（北海道大学文学研究科），雨森　賢一（奈良先端科学技術大学情報科学研究科），村山　正宜（東京薬科大学生体高次），真仁　田聡（東京薬科大学生体高次），小島　久幸（理化学研究所），小池　大介（東京大学統合生理），鈴木　慎也（産業技術総合研究所），納家　勇治（生理研），吉田　正俊（生理研），竹田　真己（生理研），伊原　毅（生理研），籾山　俊彦（生理研），籾山　明子（生理研），関　あゆみ（生理研），尾崎　毅（生理研），大草　知裕（生理研），田仲　裕介（生理研），坂田　秀三（基生研），小松　英彦（生理研），伊藤　南（生理研），小川　正（生理研），鯉田　孝和（生理研），谷　利樹（生理研），松本　正幸（生理研），横井　功（生理研）

【概要】
　脳はその超複雑な神経回路の動作により情報を処理している。そのため，脳の情報処理メカニズムを解明するには，個々のニューロン活動を調べるだけでは不十分であり，多数ニューロンすなわちマルチニューロンの活動を同時測定し，その機能的連関をも調べることで，神経回路全体の動態を明らかにしていかねばならない。本研究会の目的は，実際に情報処理を行っている動物からマルチニューロン活動を同時記録し，そのデータを解析している国内の研究者が集まり，技術的な方法論や，背景となる理論的モデルなどについて，広く情報を交換し議論を重ねることである。1997年に第1回を開いたが，大変有意義かつ好評であったため，その後も1年おきに開催し，今回が3回目となった。
　2日間にわたる研究会には，11名の講演者以外に，外部と所内を合わせ約80名の，4年前の第1回とほぼ同数の一般参加者があり，大変盛況であった。また，これも今までと同様であるが，質疑や議論がきわめて活発であったため，全体に時間不足であった。第1回では，すでに実験を開始している者はまだ僅かであり，これからマルチニューロン活動の記録と解析を目指す研究者達の集まりという印象であったが，それから4年経過した今回は，すでに実験を進行させデータを出している研究者も多く，実データに関する議論が特に活発となり，この分野の具体的な進展が明らかとなった。また，講演者や参加者の平均年齢もかなり若返っており，大学院生など若い研究者がこの分野に次々参入し活躍しつつあることが実感できた。しかし，記録方法はともかく，解析方法に関する問題は相変わらずいくつか残っており，それらを克服できるか否かが，マルチニューロン活動の実験の真価を決めるであろうことが予想できた。また，この分野における米国での研究は，最近加速度的に進んでおり，国内の研究との差はなかなか縮まらず，かえって開いている可能性も否定できなかった。そのような現状から，このようなマルチニューロン活動に関する研究会は，今後も何らかの形で継続する必要があるように思われた。

（1）マルチニューロン活動同時記録を用いた神経細胞集団による情報表現の解析

田村　弘，金子　秀和，藤田　一郎（大阪大学　大学院基礎工学研究科,
産業技術総合研究所人間福祉医工学研究部門）

　複数の神経細胞がどのようにして情報を表現しているのかをあきらかにするためには，これら複数の神経細胞から同時に活動を計測することが必須である。そこでマルチニューロン活動同時記録を，物体認識に不可欠な視覚経路の最終段階に近い下側頭葉皮質TE野に適用し，物体の視覚イメージが複数の神経細胞によりどのように表現されているのかを探った。特にTE野では，よく似た視覚図形に反応する神経細胞が隣接して存在しコラム構造を形成しているので，これら隣接した神経細胞の活動をどのようにして読み出せば，信頼性の高い情報を得ることができるのかを検討した。いくつかのデコーディング方法が考えられるが，まず最初に「隣接細胞活動の加算平均（プーリング）により，視覚情報のデコーディング精度が向上するか」を検討した。その結果，プーリングにより反応は安定になるものの，刺激セットに関する情報量は減少することがあきらかになった。TE野内の隣接した複数神経細胞の活動のプーリングは，デコーディング精度の向上に有効ではないと結論した。

（2）網膜神経節細胞間における相関発火と刺激依存性

石金　浩史，雁木　美衣，立花　政夫（東京大学　大学院人文社会系研究科心理学研究室）

　細胞集団による情報の統合や符号化を解明するために，カエル剥離網膜標本に光パターン刺激を提示し，オフ持続型神経節細胞（ディミング検出器）群のスパイク発火をマルチ電極で記録した。光強度を0.25Hzの正弦波で変調したスポット光の面積を変化させてスパイク発火の自己相関関数を調べたところ，周期的発火（約30Hz）の強度は刺激面積の増大に従い増加し，発火頻度で定義される受容野よりも遙かに広い領域から影響を受けていることがわかった。受容野の離れた2細胞を時間変調した全面照射光で刺激した時に比べて，細胞間に非変調のギャップ領域を挿入した時には，相互相関関数から求めた同期的発火強度は減弱した。また，全面照射領域を二分して刺激提示の時間的位相をずらすと，ずれの増大にしたがい同期的発火強度が減衰した。これらの実験から，ディミング検出器は空間的・時間的なまとまりをコードしている可能性が示唆された。

（3）皮質神経回路モデルのダイナミクスとマルチニューロンレコーディング解析

渡辺　正峰（東京大学　工学系研究科）

　脳のコーディングの仮説として，スパイクの頻度を情報のキャリアとする発火率コーディング仮説とスパイクのタイミングそのものに情報があるとするテンポラルコーディング仮説が存在する。近年，特に脳の内的過程（期待，予測等）に，複数のアセンブリの重ね合わせが可能などの利点を持つテンポラルコーディングが使われていることを示唆する実験結果が報告されている。また，テンポラルコーディングにおけるニューロン間の相互作用を考えると，短い膜時定数を仮定し，発火するためには複数のニューロンからのスパイクの同期が必要となることから，ネットワークダイナミクスに依存して動的なものとなることが知られている。本発表では，脳の結び付け問題と文脈依存性に関する二つのモデルを介し，テンポラルコーディングの可能性とその役割について議論する。さらには，近年の測定技術の進歩により可能となった多ニューロン同時記録データの解析手法を提案したい。

（4）運動学習課題遂行中の一次運動野の神経細胞活動

宮下　英三（東京工業大学　総合理工学研究科）

　本研究は，運動学習課題遂行中のサル運動野神経細胞活動の時間的発火特性の変化を定量的に解析することを目的とする。二関節マニピュランダムのハンドルを操作することにより，コンピュータ画面上にハンドルの位置として提示されたカーソルを同一画面上に提示される視標に1.0秒以内に到達させる到達課題と，カーソルを提示する際に時計方向±45°の回転座標変換を施した環境下で行う学習課題を一頭のサルに課し，これらの課題遂行中の手の位置と運動野神経細胞活動を記録した。神経細胞活動の平均発火頻度を，腕とマニピュランダムの動力学パラメータで線形重回帰を行い，到達課題遂行時と学習課題獲得期の回帰係数を比較した。肘関節あるいは肩関節の受動的な動きに応答するユニットがあった65の記録部位から課題に関連する105個のユニットを分離した。このうち67個のユニットで到達課題遂行時と学習課題獲得期の回帰係数に有意差（p=0.01）が見られた。

（5）経路選択課題遂行時のサル前頭前野細胞活動の同時多点記録と相互相関解析

坂本一寛（東北大学　電気通信研究所）
虫明　元（東北大学　大学院医学研究科生体システム生理分野）

　経路選択課題遂行中のサル前頭前野細胞を2本から4本の電極を用いて，マルチチャンネル記録を行った。課題は，サルに迷路内のスタート地点からのゴールまでカーソルを両手のマニピュレータをもちいて導く課題であった。課題の各期間を8つに分けて，さらに，同一電極で記録した細胞のペアと異なる電極で記録したペアを相互相関解析と平均発火頻度による解析を行った。相互相関解析を行うと，共通入力を示唆するタイプと方向性のある相互関係を示すタイプが存在した。また平均発火頻度による解析と相互相関解析の比較では，互いに独立した傾向が高かった。さらに，同時記録した細胞のペアに関して，各時期の相互相関解析を比較したので報告する。

（6）サルによる時間情報の保持と前頭連合野のマルチニューロン活動

櫻井芳雄（京都大学大学院・文学研究科・心理学研究室）
高橋　晋（慶応義塾大学大院・理工学研究科・計算機科学研究室）
井上雅仁（京都大学・霊長類研究所・行動神経研究部門）

　時間情報のコーディングに関する研究として，アカゲサルが視覚刺激の提示時間と色それぞれを短期間保持する際のマルチニューロン活動を記録した。提示時間の遅延見本合わせ課題（DMS-D）では，3秒間の遅延期間を挟んで2回表示される視覚刺激（見本刺激と比較刺激）それぞれの提示時間（0.5秒か2秒）の異同についてGo/No-Goで答えさせた。色の遅延見本合わせ課題（DMS-C）では，提示時間とは無関係に，見本刺激と比較刺激の色の異同について答えさせた。これら二つの課題を同じサルに遂行させた。
　タングステンワイヤー4本から成るテトロード電極を6本並べたテトロード・アレイ（計24本のワイヤー）を慢性埋め込み用マイクロドライブに取り付け，前頭連合野主溝付近のマルチニューロン活動を，サルが二つの課題を遂行している2時間にわたり連続的に記録した。現在までにそのデータの一部を解析しているが，刺激の提示時間を保持するDMS-D課題を遂行している際，見本として提示された刺激の長短をコードするニューロン（presented-length coding neuron）と，常に長短どちらかの長さをコードしているニューロン（fixed-length coding neuron）が，ほぼ同じ割合で見つかった。それらニューロンの間の機能的結合と，課題中の刺激提示や保持期間に応じたその変化についても報告する。

（7）ラットおよびサル海馬体におけるマルチニューロン活動

西条　寿夫，田渕　英一，堀　悦郎，梅野　克身，小野　武年（富山医科薬科大学　医学部生理学）

　実際に実験室内を移動する実空間移動課題および液晶パネル上のポインターを移動させる仮想空間移動課題に対するサル海馬体ニューロンの応答性を解析した。4種類の空間移動課題遂行中のサル海馬体から複数のニューロン活動を同時記録し, 相互相関解析を行った。その結果, 163個のニューロンペアのうち98ペアで有意な相関が認められ, 1）90％が正の相関を示し, 2）59％で相互相関のピークが10～20ms程度シフトし, 3）31％で課題選択的に有意な相関が認められた。以上より, 海馬体ニューロン間の動的結合により, 課題選択的な文脈情報が符号化されている可能性が示唆された。また，各課題ごとに海馬体ニューロンの場所識別応答を多次元尺度分析（MDS）により解析した結果，MDS上に再現された各場所は，空間情報処理がより必要とされる実空間移動課題において実際の空間配置をよく反映していることが判明した。以上の結果から，サル海馬体における空間情報の再現機構について考察する。最後に，現在進行中のラットの多脳領域からニューロン活動を同時記録する実験について紹介したい。

（8）ポピュレーション・ベクトル解析法を用いた前頭連合野ニューロン群の空間情報処理の可視化

竹田　和良，船橋　新太郎（京都大学　大学院人間・環境学研究科環境情報認知論講座，総合人間学部環境適応論講座）

　2種類の遅延眼球運動課題（遅延後，先に呈示された刺激位置に眼球運動を行うODR課題と，刺激位置に対して90度時計回り方向に眼球運動を行うR-ODR課題）を用いてサルの前頭連合野よりニューロン活動を記録し，Georgopoulosらによって提唱されたポピュレーション・ベクトル解析法を記録したニューロン活動に適用することで，視覚情報から運動情報への変換過程を可視化しようと試みた。両課題で記録した216個のニューロン活動を用いて，刺激呈示から反応期までのポピュレーション・ベクトルを250ms間隔で算出した。ODR課題で求めたベクトルの方向はほぼ刺激呈示位置又は眼球運動の方向と一致しており，遅延期間中も維持していたが，R-ODR課題では遅延期間中に刺激呈示位置方向から眼球運動方向へと徐々に変化した。この結果は，感覚情報から運動情報への変換が前頭連合野のニューロン集団によって実行されており，その変換過程はポピュレーション・ベクトルにより可視化できることを示している。

（9）プリズム適応における大脳皮質ニューロンの機能的役割

蔵田　潔（弘前大学　医学部第二生理）

　目標点への到達運動のプリズム適応に大脳皮質運動前野腹側部が重要な役割を果たしていることがムシモル注入による可逆的障害実験から明らかにされている。このことは運動前野腹側部内の神経ネットワークにおける信号伝達の変化がプリズム適応に寄与していることを示唆すると考えられる。この仮説を検討するため，プリズム適応の前後を通じて単一ニューロン活動の多点同時記録を行った。運動前野腹側部・一次運動野・頭頂連合野から運動課題遂行中に記録された個々のニューロンにはプリズム適応中に特異的な活動パターンを示すものはほとんどなかった。しかし，同時に記録されたニューロン間の相互相関を解析すると，プリズム適応中に特異的にスパイク後促通を示すニューロン対が運動前野腹側部にもっとも高頻度に存在した。これらは特に運動関連活動を示すニューロン間である場合が多数であった。このことは運動前野腹側部に関する上記の仮説を支持するものと考えられる。

（10）マルチニューロン活動からみた大脳皮質基底核機能連関

木村　實（京都府立医科大学　第二生理学）

　大脳補足運動野，前補足運動野や大脳基底核には，複数の運動を組み立てて行う行動のために必要な，順序や系列をコードするニューロンがあることが知られている。これらのニューロンは，行動のゴールに向かって順番に組み立てるしくみに組み込まれることによって，順序運動の発現や行動プランのしくみに役立っていると考えられる。われわれは，大脳皮質基底核ループがこの役割において重要であるという仮説を検証するために，サルに複数のボタンを視覚手がかりに基づいて，また記憶に基づいて押さえる課題を行わせ，線条体から複数のニューロンの活動を同時に記録し，スパイク放電の相互相関を求めることによってニューロン同士の機能的な接続を調べた。その結果，線条体の投射ニューロン間には，時間遅れの長い，持続時間の長い，一方向性の興奮接続を示す活動相関が得られた。これらの活動相関は，課題の初期に現れる感覚刺激や運動に関連するニューロンから，課題の後半に現れる事象に関連するニューロンに向かって起こることが多かった。このことは，課題が首尾よく実行された後与えられる報酬に近いニューロンに向かって生じていることを示しており，目的志向的な機能的神経接続の基盤をなすことが示唆された。一方，線条体の介在ニューロンの中，課題の最初に現れる視覚手がかりに応答する一部のニューロンペアの間には，共通入力を示す，時間遅れ10-30 msの活動相関が見られた。



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