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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，神経細胞やグ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)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。
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】 大脳皮質の各領域は，基本的に同じ構成の回路を入出力の違いに応じて変えることで，柔軟で多様な情報処理をしている。皮質はコラムとよばれる基本単位からできていると考えられているが，その内部回路についてはあまり解明されていない。私たちはこれまでに，前頭皮質や，それが投射する線条体のニューロンを，軸索投射・発火・物質発現パターンからいくつかのグループに分類し，それらの生理的性質・神経結合・伝達物質作用などを解析してきた。その結果，局所回路の基本的構成を定性的には明らかにすることができた。今後は，皮質の各ニューロンタイプ間の神経結合選択性を解剖学的・生理学的手法を組み合わせて定量的に調べることで，皮質ニューロンの多様性の意味，各ニューロンタイプの役割，特異的神経結合の必然性を理解することと，皮質から線条体に信号を送る錐体細胞の活動がどのように決められているのかを明らかにすることを目標にしている。本年度は，線条体へ投射する錐体細胞への入力解析，GABA細胞サブタイプの軸索分布の定量化やカルレチニン陽性終末の形態的同定を進めた。
大脳皮質のカルレチニンとVIP陽性神経終末の構造窪田芳之,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。これらは，それらが含有する神経化学物質の違いにより分類すると，大きく3つのサブグループに分ける事ができる。この中で，VIPもしくはカルレチニンを含有するサブグループが知られている。それらの神経終末の構造を電子顕微鏡を使って検討した。VIP陽性神経終末は，対称性のシナプス膜の肥厚を示しており，ターゲットは樹状突起，棘突起とわずかに細胞体であった。また，カルレチニン陽性神経終末は大半が非対象性であり，わずかに対称性の膜の肥厚を示すものがあった。ターゲットは，樹状突起，棘突起とわずかに細胞体であった。通常非対称性のシナプスは興奮性である事から，これらのカルレチニン陽性神経終末は，非錐体細胞以外の細胞由来の可能性が高い。従って，glutamate作働性の神経終末のマーカーである，vesicular glutamate transporter 1，2 (VGluT1, VgluT2)を使って2重染色を試みた。結果，視床由来のglutamate作働性神経の終末に存在する事が証明されているVgluT2とカルレチニンの共存が認められた事から，大脳皮質に存在する非対象性の膜の肥厚をもつカルレチニン陽性神経終末の由来は，視床であることが示唆された。
皮質-線条体細胞への抑制性入力の解析根東 覚,川口泰雄 線条体は，前頭皮質領域から強い興奮性の入力を受けその活動が制御されている。これら皮質から線条体へ出力を送る細胞の活動が皮質内でどのように形成されるかは非常に興味深い。本課題では線条体に逆行性のトレーサーを予め注入したラットから，スライス標本を作製しパッチクランプ法により，投射細胞と抑制性介在細胞の2細胞同時記録を行い神経結合を調べた。脱分極性の通電に対して高頻度の発火を示すタイプの抑制性細胞（FS細胞）は，細胞の興奮性に比較的強い影響を与えると考えられるので，まずこれについて調べた。抑制性シナプス電流の振幅には平均3pAから100pAまでばらつきが見られ，短時間反復刺激に対しては，減退を示した。電気生理の記録の後，細胞内染色を行い記録細胞の再構成を行うと，投射細胞上において，神経結合の部位選択性が見られる傾向があった。シナプス電流の振幅の大きさと神経結合の仕方には距離的な相関が観察された。
大脳皮質GABA細胞の形態的特質の定量化苅部冬紀,川口泰雄 大脳皮質介在ニューロンは，生理的・形態的・化学的性質からいくつかのグループに分けられると考えている。しかし，これとは異なる考え方も提唱されている。本研究では，先ず，軸索ブトンがシナプス結合を作っているのを確認した後で，発火様式とペプチドなどの発現を同定した介在ニューロンの形態的特徴を定量化した。得られた形態的パラメーターと生理的性質から，介在ニューロンをバスケット細胞を含む5つの形態的クラスに分類した。バスケット細胞はさらに複数のグループに分けることができた。この分類は，免疫組織化学的なものによく対応していた。サブタイプに分ける主な因子は，軸索分枝頻度，細胞体に付く軸索ブトンの割合，白質側にある軸索ブトンの割合であった。今後は，皮質細胞の軸索の伸長・分枝の仕方や，それに沿ってのシナプスブトンの作り方をサブタイプごとに定量的に調べていく予定である。
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。
聴覚脱失による脳の可塑的変化定藤規弘（心理生理学研究部門） 聴覚脱失により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。課題として，手話，読唇，指文字を用いた。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。さらに，中上側頭溝での賦活に年齢依存性があることが判明した。すなわち手話を見ている間，中上側頭溝は，晩期失聴者に比較して早期失聴においてより強い賦活がみられた。これは聴覚及び視覚入力を受ける多感覚領域である中上側頭溝において，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）。
読唇における視覚・触覚統合の解析斎藤大輔，定藤規弘（心理生理学研究部門） 顔面から発生するさまざまな信号を受け取るために，視聴覚統合は重要な役割を担う。読唇における視覚・聴覚統合の神経回路を同定するため，機能的MRIを施行した。聴覚課題として母音弁別，視覚課題として母音を発声する際の口の動きの弁別を作成した。聴覚・聴覚，および視覚・視覚の弁別課題においては，それぞれ聴覚領域および視覚領域の賦活が見られた。一方聴覚・視覚間での弁別においては，前二者と比較して，後部頭頂間溝及び背側運動前野が両側性に賦活された。このことから後部頭頂間溝及び背側運動前野が視覚・聴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。
卓越した計算能力の基盤となる非言語性情報処理戦略の神経基盤本田 学 そろばんの熟達者では，当初，視覚運動制御によって高度な計算能力を獲得するが，視覚運動制御のプロセスを潜在化させていくことにより，実際にそろばんを用いることなく暗算で高度な計算能力を示すようになる。一般の人間が視覚的に呈示される数字を記憶する時には，言語的なリソースを使用していることを反映して，左半球を中心とする言語野が強く賦活されるのに対して，そろばん熟達者が同様の課題を遂行するときには，そろばんの空間パターンのイメージとして記憶することを反映して，両半球の運動前野ならびに頭頂葉に対称性の活動が認められることを明らかにした。このことは，実世界に存在する道具を脳内にインストールし，それをもちいた非言語性の情報処理によって抽象的な表象操作を行うことが，卓越した能力の発揮に結びついていることを示唆している。
異なる運動関連領野が思考におよぼす特異的役割の検討本田 学 高次運動皮質である運動前野の機能が大脳半球外側面に存在する外側運動前野と，大脳半球間隙に存在する（前）補足運動野とで異なっており，内側運動前野は基本的に一次元情報を逐次的に直列処理するのに対して，外側運動前野は多次元情報を同時に並列処理をするとの仮説に基づき，言語，空間，数という異なる表象について，同一の聴覚刺激を用いて逐次的オペレーションを行ったときの活動を機能的磁気共鳴画像をもちいて検討した。その結果，逐次的な処理をおこなう三つの課題すべてにおいて，前補足運動野に強い活動を認めたのに対して，空間的な表象の操作を行うときにのみ，両側の外側運動前野が強く反応することを見いだした。この結果は，内側運動前野が逐次的連続的な操作に重要な役割を果たしているのに対して，外側運動前野の活動は，操作の内容よりもむしろ表象の種類に依存することを示唆している。
健常者における憑依トランスの発現メカニズム本田 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，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，憑依トランス中に自発脳波の後頭部アルファ帯域成分のパワーの有意な増大が観察された。一方，憑依トランスによってカタレプシー様の様態を呈している最中には，てんかん性放電などは観察されなかった。これらの知見は，ドラスティックな様態を呈する憑依トランスにおいても，その脳波知見は，座禅やメディテーションなどの静的なトランスに近いことが明らかになった。
非可聴域超高周波成分による聴覚受容モジュレーション機構の検討本田 学 ポジトロン断層撮像法をもちいて非可聴域超高周波成分を豊富に含む音を聴取時，同じ音源から超高周波成分を除去した音を聴取時，暗騒音（ベースライン）時の脳血流を計測し，そのデータに含まれる互いに相関をもった変動成分を主成分分析により抽出した。その結果，第一成分として両側聴覚野を含む成分，第二成分として視床，視床下部，脳幹を含む成分が抽出された。第二成分の条件による変動パターンは，超高周波成分を含むときに高く，含まないときにはベースライン条件よりも低下していた。また超高周波成分を含む音の聴取時には，免疫活性を示す血中NK細胞活性が上昇していた。これらの知見は，非可域超高周波成分による相互作用効果が，免疫系への影響を与えうる視床下部を含む脳深部の神経組織を介して発現することを示唆する。
乗法型変調非線形自己回帰モデルをもちいた大脳皮質−筋肉間機能連関の検討本田 学 昨今の医療技術の発達に伴い，様々な生体信号を収録することが可能になった。それらの信号は従来個々に分析されることが多かったが，生体内の組織は互いに相互関係をもって機能していることから，生体系そのものを閉じた系と考えた場合，異なる生体組織から記録されたデータ間の相互関係を探れれば，系のダイナミクスを数理的に示せ，臨床的知見と併せた総括的な生体系の計算理論へ発展し得ることが期待される。時系列モデルによる非線形的なデータ相互間の一解析手法として，外生変数が説明変数の振動特性の部分に直接影響を及ぼすモデル(Multiplicatively modulated exponential (mmExpAR) model)を提案し，大脳皮質−筋肉間の機能連関解析に適用した。その結果，大脳皮質電位を外生変数として筋電位の自己相関係数に対して乗法型変調をかけることにより，筋電位の推定誤差が減少することを明らかにした。また皮質表面の陰性電位が増大するときに，表面筋電図の高周波成分のパワー増加が観察された。この手法は，シナプス後電位と活動電位の間の機能連関を探る手法として今後の応用が期待される。
MRI撮像音強度の変化に伴う聴覚野血流反応時間の加齢性変化岡田知久，本田 学，定藤規弘 これまで脳賦活による血流増加時間は加齢に伴い，視覚野ではより速くなるのに対して，感覚運動野では有意な変化はないと報告されているが，聴覚野に関しては明らかにされていない。われわれは昨年度の研究で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があることを示した。この手法は常に一定の強さの聴覚刺激を正確なタイミングで与えることが出来る。これを用いて，53人の被験者（年齢：18-73歳）に対して撮像音強度を変化させる刺激を与えて，聴覚野における血流反応の加齢性変化を検討した。血流反応の大きさについては年齢による有意な増大・減少傾向は認められなかったが，血流反応が最大となる時間は加齢とともに延長していることが判明した。
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