生体調節研究系

生体システム研究部門

【概要】

生体システム研究部門は，これまで歩行運動の中枢制御機構について研究を進めてきた。平成14年3月に森　茂美教授が定年退官した後も，森　大志，橘　篤導らを中心に継続して研究が行われてきている。11月に南部　篤が東京都神経科学総合研究所から着任し，大脳皮質−大脳基底核連関による随意運動の制御機構の解明という，新たな研究テーマを立ち上げた。このことにより，当研究部門は，大脳皮質，大脳基底核，小脳，脳幹などを中心に，手指を精緻に動かすような随意性の高い運動から，歩行や咀嚼のように半ば自動化されたものまで，幅広い運動の脳内機構について，包括的に明らかにするというテーマで研究することとなった。南部が着任早々，喜多　均教授（テネシー大学医学部）が日本学術振興会の外国人招へい研究者として当研究部門での共同研究を開始し，結果的に研究室の立ち上げが加速された。

 

大脳皮質-線条体-淡蒼球外節-視床下核-淡蒼球内節路（いわゆる間接路）について

南部　篤，喜多　均（テネシー大学医学部）
橘　吉寿（大阪大学大学院歯学研究科，東京都神経科学総合研究所）

大脳皮質を電気刺激して，大脳基底核の出力部である淡蒼球内節から記録を行うと，早い興奮・抑制・遅い興奮という３相性の応答が得られる。これまでの研究により早い興奮は，大脳皮質-視床下核-淡蒼球路（ハイパー直接路）を，抑制は大脳皮質-線条体-淡蒼球路（直接路）を介することがわかっている。本年度は，遅い興奮の由来について調べた。その結果，直接路による抑制のリバウンドによるものと，大脳皮質-線条体-淡蒼球外節-視床下核-淡蒼球内節路（間接路）を経由するものがあり，後者によるものが多いことがわかった。次に，このような経路が実際に，どのような情報を運んでいるかを解析する手始めとして，ムシモル注入により視床下核をブロックし，その前後で淡蒼球ニューロンの体性感覚応答を調べた。その結果，視床下核をブロックすると，淡蒼球ニューロンの反応性が大きく変化することがわかった。このことは，ハイパー直接路や間接路が，実際の生理的条件下でも働いていることを示唆している。今後は，このような神経経路が実際の運動遂行時に，どのような情報を運んでいるか明らかにしていきたい。

 

糖代謝PETによる障害物回避二足歩行運動の実行に関与する脳部位の同定

森　大志，中陦克己（近畿大学），橘　篤導，高須千慈子
塚田秀夫（浜松ホトニクス（株）），森　茂美（生理研名誉教授）

サル直立二足歩行モデルは障害物を設置したトレッドミルベルト上歩行（障害物回避歩行課題）で，予測的な下肢関節屈曲ストラテジーの動員により障害物上に十分な空間を作成し，これにつまずくことなく乗り越えることができる。サルモデルは適応・予測制御機序などの高次な脳機能を動員してこの課題を解決したと考えられる。本研究ではこれまでに確立した無拘束動物-糖代謝PET法により，障害物回避歩行課題の実行に伴い，賦活される脳領域の同定を試みた。サル歩行モデルに[¹⁸F]-FDGを投与し，障害物回避歩行課題を実行させた。対照課題（座位姿勢）に対し，補足運動野，一次運動野，視床，小脳で優位に糖代謝が亢進した。水平トレッドミル二足歩行課題に対しては補足運動野，視床で脳糖代謝の亢進が観察された。これらの結果からより複雑な歩行課題に対し，サル歩行モデルは高次脳内の様々な要素的神経制御機構を動員してこれを解決していることが示唆された。

 

大脳皮質運動野の直立二足歩行運動に関わる機能的意義の同定

森　大志，中陦克己（近畿大学），南部　篤，
稲瀬正彦（近畿大学），森　茂美（生理研名誉教授）

脳糖代謝PET法により水平トレッドミルベルト上二足歩行運動の実行に際し，サル歩行モデルは一次運動野（M1）および補足運動野（SMA）での神経活動の増強が示唆された。本研究ではこれらの領域が直立二足歩行運動の実行に際し，どのような機能的意義を有するかを同定することを試みた。実験に先立ち，トレッドミルベルト上での二足歩行運動能力を獲得した成サルの大脳皮質運動野を皮質内微少電気刺激法でマッピングした。機能的意義の同定はムシモル（GABA_Aagonist）の局所注入により歩行運動機能を一時的に脱落させて行った。M1への注入では注入部に限局した歩行運動障害（関節運動障害）が誘発された。SMAへの注入では筋トーヌスの減弱に伴う姿勢障害が誘発された。これらの結果は大脳皮質運動野を構成するM1およびSMAは直立二足歩行運動の実行に際して異なる機能的側面を担っている可能性を示唆する。

 

ネコ小脳歩行誘発野の機能的意義の同定

森　大志，中陦克己（近畿大学），森　茂美（生理研名誉教授）

左右の小脳室頂核からは同側性および交叉生の室頂核遠心路が始まる。この交叉性遠心線維は小脳白質正中部で交叉して鈎状束を形成する。この鈎状束には室頂核視床路などの上行性，室頂核網様体路などの下行性投射路が含まれる。除脳ネコ標本でこの鈎状束正中部（CLR）を連続微少電気刺激するとトレッドミルベルト上で制御歩行が誘発できる。本研究では無拘束・覚醒ネコ標本で姿勢および歩行運動に対するCLRの刺激効果を検討した。このため予め麻酔下で慢性微少電気刺激電極をCLRに刺入・留置した。麻酔手術から回復した後に無拘束下でネコの歩容をビデオ撮影した。左右の前後肢から筋活動を導出記録した。CLRに高頻度電気刺激を加えるとネコは歩行運動を開始し刺激を継続する間，歩行運動を持続した。四肢の運動は規則的かつ協調的であった。これらの結果はCLRが歩行運動の開始，基本的な四肢協調運動制御に関与していることを示唆する。

 

直立歩行若齢ニホンサルに与えた障害物回避歩行課題の学習機序

橘　篤導，森　大志，高須千慈子，森　茂美（生理研名誉教授）

若齢ニホンサルは長期に報酬付け運動学習により，多運動分節の機能を統合し，トレッドミル上での直立二足歩行能力を獲得する。本研究では二足歩行能力を獲得した若齢サルが障害物を設置したトレッドミル上での新しい歩行課題をどのようなストラテジーを動員して解決するのか，その学習過程での歩容の変化を運動力学的に解析した。高さ3，5，7cmのブロック状の障害物1つを設置した。第1，2，4，12日目の歩容を高速ビデオで撮影した。第1日目の試行ではいずれの高さの障害物にもつまずく頻度が高く，姿勢に大きな乱れが生じた。2日目になるとつまずく頻度が減少し，姿勢の乱れも小さくなった。4，12日目ではつまずく頻度がさらに減少した。2日目以降では障害物の出現に備え，予測的に股膝関節を屈曲させ，足と障害物との間に十分な空間を作ってそれを乗り越えた。障害物の認知の元で新たな下肢関節屈曲ストラテジーを動員してこの歩行課題を解決した。

 

 

高次液性調節研究部門

【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。

 

サル下部側頭葉における連合記憶の順向性情報処理

Yuji Naya, Masatoshi Yoshida
 Soichi Nagao, Yasushi Miyashita

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 Type1 neurons 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.

 

サル下部側頭葉における連合記憶形成の形態学的基礎

Masatoshi Yoshida, Yuji Naya
 Soichi Nagao, Yasushi Miyashita

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 tocharacterize the anatomical organization of forwardprojections 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 (selectivity of TEav neurons 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 reduced divergent projection resulted from acquisition of visual long-term memory, possibly through retraction of the projecting axon collaterals.

 

認知シフト課題遂行中のマカクサル大脳活動の磁気機能画像解析

Kiyoshi Nakahara, Toshihiro Hayashi, Seiki Konishi
（Department of Physiology, The University of Tokyo School of Medicine）
Yasushi Miyashita

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.

 

メタ記憶の神経機構：パラメトリック磁気機能画像解析

Hideyuki Kikyo, Kenichi Ohki
（Department of Physiology, The University of Tokyo, School of Medicine）
Yasushi,Miyashita

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 humanmetamemorysystems. 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.

 

近時記憶の神経機構

Seiki Konishi, Idai Uchida
（Department of Physiology, The University of Tokyo, School of Medicine）
T Okuaki, T Machidda, Ichiro Shirouzu（Radiology, Kanto Medical Center NTT EC）
Yasushi Miyashita

The prefrontal cortex plays a critical role in recollecting the temporal context of past events. The present study employed event-related functional magnetic resonance imaging (fMRI) and explored the neural correlates of temporal-order retrieval during a recency judgment paradigm. In this paradigm, after study of a list of words presented sequentially, subjects were presented with two of the studied words simultaneously and were asked which of the two words was studied more recently. Two types of such retrieval trials with varied (high and low) levels of demand for temporal-order retrieval were intermixed and compared using event-related fMRI. The intra-paradigm comparison of high versus low demand trials revealed brain regions whose activation was modulated on the basis of demand for temporal-order retrieval. Multiple lateral prefrontal regions including the middle and inferior lateral prefrontal cortex were prominently activated. Activation was also observed in the anterior prefrontal cortex and the medial temporal cortex, regions well documented to be related to memory retrieval in general. The modulation of brain activity in these regions suggests a detailed pathway that is engaged during recency judgment.

 

認知シフトにおけるヒト前頭前野の半球間非対称性

Seiki Konishi, Toshihiro Hayashi, Idai Uchida, Hideyuki Kikyo, Emi Takahashi
（Department of Physiology, The University of Tokyo, School of Medicine）
Yasushi Miyashita

Functional organization of human cerebral hemispheres isasym-metrically specialized, most typically along a verbal-nonverbal axis. In this event-related functional MRI study, we report another example of the asymmetrical specialization. Set-shifting paradigms derived from the Wisconsin card-sorting test were used, where subjects update one behavior to another on the basis of environmental feedback. The cognitive requirements constituting the paradigms were decomposed into two components according to temporal stages of task events. Double dissociation of the component brain activity was found in the three bilateral pairs of regions in the lateral frontal cortex, the right regions being activated during exposure to negative feedback and the corresponding left regions being activated during updating of behavior, to suggest that both hemispheres contribute to cognitive set shifting but in different ways. The asymmetrical hemispheric specialization within the same paradigms further implies an inter-hemispheric interaction of these task components that achieve a common goal.