【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を定量的に解析し，機能との関係を明らかにする。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)前脳基底核，黒質−線条体ドーパミン系等の情動行動に関与する脳内部位の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) 大脳基底核関連疾患の治療法の確立のため，神経幹細胞移植による細胞の分化，シナプス再構築や神経回路の再建に関する形態学的および電気生理学的解析を行なっている。
田中淳一，足澤悦子，籾山明子，深澤有吾，馬杉美和子，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。また，ノイズ解析を用いた電気生理学的計測と組合わせ，機能的なAMPA受容体数とほぼ同数の金粒子の標識数が得られることを明らかにした。
萩原 明，深澤有吾，重本隆一
脳内における神経伝達物質の放出にはさまざまな機能分子が関与している。この中で我々は代謝調節型グルタミン酸受容体や電位依存性カルシウムチャネルなどの放出部位における局在を免疫電子顕微鏡法で明らかにした。またレプリカ標識法を用いることによって，従来法では放出部位に検出することが困難であったtSNARE蛋白質についても，神経終末や軸索に広く分布すると同時に放出部位にも同様の密度で存在することを明らかにした。またこの研究の過程でレプリカ標識法において，CASTなどのCAZ蛋白質や小胞性グルタミン酸トランスポーターが，放出部位や神経終末を同定するためのマーカーとして非常に有用であることを明らかにした。
深澤有吾，重本隆一
海馬における長期増強現象には，イオンチャネル型のAMPA受容体，NMDA受容体等のグルタミン酸受容体が関与している。我々は，新たに開発したレプリカ標識法により，これら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海馬CA1や歯状回のAMPA受容体の解析では，シナプスのみならずシナプス外に高密度の標識が認められた。シナプスのAMPA受容体密度は大きなバラツキを持って分布していたが，in vivoでテタヌス刺激により長期増強現象を誘導すると，AMPA受容体密度の低いシナプスの数が減少する。今後受容体サプタイプによる動態の違いや，シナプス外受容体プールとの間の関係などについて，さらに検討する。
篠原良章，WuYue，重本隆一
脳内における左右差はよく知られているが，その分子基盤はほとんど知られていなかった。我々は九州大学の伊藤功助教授らとの共同研究により，海馬 NMDA 受容体サプユニットNR2Bが左右の海馬の対応するシナプスで非対称に配置されていることを発見した。この左右差はNR2Aノックアウト動物で増強されており，電子顕微鏡的な解析で錐体細胞シナプスにおけるNR2B標識密度の左右差を検出した。この左右差は介在神経細胞上のシナプスには存在せず，同種の神経軸索が作るシナプスにおいても，神経後細胞の種類の違いによって非対称性の有無が決まることが明らかとなった。今後はこの左右非対称性の生理学的意義を解明することを目指す。
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。
籾山俊彦
前脳基底核は中枢アセチルコリン性ニューロンの起始核であり，記憶，学習，注意とうの生理的機能と密接に関係するとともに，その病的状態としてアルツハイマー病との関連が示唆されている。現在アセチルコリン性ニューロンへの興奮性および抑制性シナプス伝達機構および修飾機構の生後発達変化につき，ニューロン同定の新たな手法を導入しつつ，電気生理学的解析，形態学的解析を行なっている。
黒質−線条体ドーパミン系は随意運動調節に関与し，この系の障害とパーキンソン病等の大脳基底核関連疾患とが関係していることが示唆されている。大脳基底核関連疾患の治療法の一つとして神経幹細胞移植法が期待されているが，移植によるシナプス結合や神経回路の再建に関する基礎的知見はこれまで非常に少なかった。現在，Enhanced GFP遺伝子導入トランスジェニックラットから胎生10.5日目ラットを摘出し，中脳胞部由来神経板組織を成熟ラットの線条体内に移植して，ドナー細胞の分化，シナプス再構築について形態学的および電気生理学的解析を行なっている。
【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。皮質の中でも前頭皮質は，それが投射する線条体とともに，精神活動や運動・行動にとって重要な場所である。私たちはこれまでに，前頭皮質や線条体ニューロンを，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明らかにできた。現在は，これらの構成要素から皮質回路がどのような原則で組み上げられているかを明らかにすることを目指して，各ニューロンタイプの軸索・樹状突起上におけるシナプス配置・スパイン分布，錐体細胞サブタイプ間のシナプス結合特性，非錐体細胞サブタイプから錐体細胞への神経結合を生理学的・形態学的に定量的に解析している。これらの過程を積み重ねることで，皮質回路の神経結合選択性，皮質ニューロンの生理的・形態的多様性の意味，各ニューロンタイプの役割を理解したい。そして前頭皮質における回路解析に基づいて，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。
窪田 芳之，川口 泰雄
大脳皮質の非錐体細胞の一つのサブタイプであるダブルブーケ(DB)細胞がどのようなターゲット特性を持つかを形態的に解析した。ラット前頭皮質のスライスを作成し，ホールセル記録法で非錐体細胞を染色した。カルレチニン(CR)を含有する事を免疫組織化学法で同定した下降軸索を持つDB細胞3個と，CRFを発現する2個のDB細胞で3次元再構築法を使ってターゲットの種類を比較検討した。その結果，CR陽性DB細胞のターゲットは，約1/3のものが非錐体細胞の樹状突起の幹であった。また，約1/3はそれ以外の樹状突起の幹であった。残りの終末は，棘突起の頭部に入力していた。細胞体に対する入力は少数ではあるが存在した。また，CRF陽性 DB細胞のターゲットは，上述の種類に加えて，DB細胞の持つ垂直方向に伸びる樹状突起が2-3割占めていた。以上の点から，DB細胞はさらに2種類のサブタイプに分かれる事が示唆された。
根東 覚，川口 泰雄
前頭皮質は線条体に投射し線条体神経回路の活動を調節しているが，線条体投射錐体細胞へのシナプス入力についてはよく分かっていない。今回，逆行性標識とラットスライス標本での2細胞同時記録を組み合わせて，錐体細胞発火の調節に重要と考えられるFS細胞と線条体投射錐体細胞の神経結合を生理学的・形態学的に解析した。FS細胞は連続した発火で抑圧されるタイプの抑制性シナプス電流を生じ，結合部位近傍に限局した抑制を錐体細胞にかけていた。これらのFS細胞は細胞体への結合比率からバスケット細胞と考えられた。樹状突起上への結合は主として基底樹状突起に見られ，尖頭樹状突起には少なかった。FS細胞の軸索は同じタイプの錐体細胞の多様なドメインにコンタクトしていたが，FS・錐体細胞ペアーごとに固有のドメイン結合パターンをとった。シナプス電流振幅は結合部位数とは関係がなく，結合部位の細胞体からの最短距離とは高い相関がみられた。
苅部冬紀，川口泰雄
皮質回路で軸索が分枝しシナプス後要素を選択する規則はほとんどわかっていない。多様な介在ニューロンサブタイプの軸索分枝・シナプスブトン形成を定量化したところ，次のことがわかった。(1)各タイプは，細胞体にシナプスする割合，軸索の分枝頻度，細胞体より白質側にあるブトンの割合などで同定できる。(2)軸索分岐点（ノード）での分枝間角度や軸索の曲がりくねりには，サブタイプ間で差がみられない。(3)ノード間距離は指数分布し，平均（標準偏差に等しい）は細胞ごとに異なる。(4)ブトン間距離も指数分布し，平均は細胞ごとに異なる。(5)ノード間距離とブトン間距離は独立に決まっており，各タイプはそれらの値の固有の組み合わせをとる。非錐体細胞は，軸索に沿っての分枝・ブトン形成は同じ分布型をとるが，その間隔の組み合わせはサブタイプごとに異なり，局所結合の強さ，後シナプス構造選択に関連していると考えられた。
【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。
定藤 規弘
視覚障害者の視覚野は，視覚入力を失っているために，その本来の目的のためには用いられていないが，どのような機能をはたしているかは，不明であった。視覚障害者において点字読を遂行する神経回路網を特定するために，機能的MRIを用いた脳賦活検査を行った。盲人と晴眼者に対し，同一の非点字性触覚弁別課題を遂行させたところ，視覚障害者では，一次視覚野を含む後頭葉腹側が賦活化される一方，二次体性感覚野は抑圧されていた。晴眼者では，これとちょうど逆のパターン即ち後頭葉腹側が抑圧，二次体性感覚野が賦活化されていた。このような劇的な機能再構築が，年齢に依存するかをしらべるため，さまざまな失明年齢の点字読に熟達した被験者15名を対象として機能的MRIによる脳賦活検査を行った。16歳までに失明した被験者では一次視覚野が触覚弁別課題で賦活したが，それ以降に失明した被験者では賦活が見られなかった。視覚連合野においては年齢依存性が見られなかった。触覚刺激における視覚野の賦活はおそらく視覚連合野を経由するものと推測された。さらに，最近失明し点字トレーニングを始める前の視覚障害者2名に同様の触覚弁別課題による機能的 MRIを試行したところ，視覚連合野の賦活がみられた。これらのことから，視覚入力遮断の結果，触覚弁別処理が，その本来の入力をうける領域以外のところ（視覚野）で処理されうることが示された。（福井医科大学，福井大学との共同研究）
斎藤大輔，定藤 規弘
正常成人における視覚触覚統合に関与する神経活動を解析するために，麻雀牌をもちいた形状弁別課題を考案した。麻雀牌にはさまざまなパターンが彫りこまれているため，形状を触覚，視覚のいずれでも判別できる。同種感覚からの形状情報を弁別する場合に比べて，異なる感覚から入力された形状情報を弁別する際により強く活動する領域は，両側後部頭葉にみられ，この領域が，異種感覚統合に関連していると考えられた。
定藤 規弘
視覚聴覚入力の統合は，対面コミュニケーションにおいて重要な役割を果たす。特に顔の表情や唇の動きは音声による意思疎通を向上させる。対面コミュニケーションにおける唇の動きの視覚情報は，聴覚言語理解を高めることが知られており，唇の動きが，音声入力なしに聴覚連合野を賦活することが機能的MRIにより示された。一方で発話の弁別特性が音響的でないことを示唆する知見があり（McGurk効果），人の発話のメッセージは調音器官の動きの中に符号化されている可能性が示唆されてきた。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検証するために，発話を符号化した口の動きと符号化していない口の動きに対する脳活動の違いを，機能的MRIを用いて測定した。健聴者19名を対象に機能的MRIを試行した。課題は，500msずつ連続的に提示される4フレームの顔の動画において，最初と最後のフレームの動きが同じか否か判定するものである。視覚刺激のみ提示した。OPENコンディションでは，/a/, /i/, /u/, /e/, あるいは/o/と発話している唇の動きを用いており，CLOSEコンディションでは唇を閉じた状態の動きを用いた。対照として同じ顔面の静止画像を提示したコンディション(STILL)を設定し，以上3コンディションのstimulus onset asynchronyを最適化しevent related fMRIを行った。OPEN-CLOSEの比較において，両側聴覚連合野の賦活がみられ，以前の報告に適合する所見であった。さらに，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。これらの領域はCLOSE-STILLでも賦活が見られた。視覚的に入力された調音器官の動きが，発話に重要な役割を果たす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を賦活した。これらの領域は聴覚的に提示された音韻弁別においても賦活されることが知られている。またBroca領はmirror systemを形成することが示唆されており，Broca領を含む左前頭葉がCLOSEコンディションにおいても賦活されたことはこれを裏付ける。OPEN-CLOSEでさらなる賦活を見た今回の結果は，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する。そして，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。
定藤 規弘
健聴者においては，読唇により側頭平面の賦活が見られ，視聴覚統合の脳内表現と目されている。聴覚脱失によりこの視聴覚統合をになう神経回路に可塑的変化が起こるかを検証する目的で，聴覚障害者を対象に，機能的MRIを試行した。早期失聴者7名と健聴者19名を対象に機能的MRIを試行した。課題は，口唇の動きの弁別，手話単語弁別，そしてランダムドットの動きの弁別である。早期失聴者においては，健聴者に比較して，口唇の動きの弁別，手話単語弁別課題遂行により，左側頭平面においてより強い賦活が見られた。さらにランダムドットの動きの弁別により，右側頭平面においてより強い賦活が見られた。これらの領域はいずれも，健聴者において，読唇により賦活された。このことから，聴覚脱失による可塑的変化の少なくとも一部は，視聴覚統合をになう神経回路により担われていることが示唆された。
山本幸子，定藤規弘
神尾陽子（九州大学）
平谷美智夫，河村佳保里（平谷こども発達クリニック）
自閉症は社会性の障害を主訴とする発達障害であり，遺伝的素因による発達初期の脳機能障害が背景にあると考えられる。しかし，具体的にどのようなメカニズムによって自閉症が発現するか明らかでない。本研究では自閉症の社会性障害の背景あると考えられる，いくつかの非定型な認知機能を明らかにすることを目的としている。社会性の背景にある認知機能を明らかにする課題として，言語と動作の異種感覚統合というコミュニケーションに関連する機能を見ることができると考えられる課題を用いた。言語記憶に与える動作の効果を調べ，自閉症と定型発達でその結果を比較した。定型発達では動作を行うことで言語的な記憶が促進されたが，自閉症では起こらなかった。自閉症におけるコミュニケーションに必要だと考えられる異種感覚統合過程が定型発達とは異なっていることが示された。さらに，これらの課題の脳内基盤について検討している。
田邊宏樹（科学技術振興機構）
定藤規弘
無関係な2つの情報を結びつける対連合学習課題を通して，記憶の形成と記憶されたものの表現に関わる可塑的な神経基盤を機能的MRIを用いて検討した。「結びつけること」に関係している領域は学習の初期に活動が高く学習が進むにつれて活動が下がり，一方「結びついたものの表象」に関わる領域は，学習が進むにつれてその活動を増大されることが予想されので，そのような学習に伴い増減する脳活動を全脳において網羅的に捉えるWhole-brain cross-trial regression analysisを開発し，解析を行った。その結果，連合の形成には上側頭溝前方部が，連合学習により形成されたペアの記憶はunimodal 領域とpolymodal領域に分散された形で表象され，さらにpolymodal領域がそのネットワークの結び目(node)となっていることが示唆された。
豊田浩士，定藤規弘，柏倉健一（群馬県立医療短期大学），笠松眞吾（福井大学）
岡沢秀彦（福井大学），藤林靖久（福井大学），米倉義晴（福井大学）
刺激提示後の神経活動に伴うfMRI信号変化に関しては未だ正確な機序は不明である。視覚刺激に対してNIRS，fMRI同時計測を行い，両者の信号の反応曲線からfMRI信号変化の成因を検討することを本研究の目的とした。
5名の健常人を被験者とし，チェッカーボードを視覚刺激として提示した。刺激提示時間を変化させ，それぞれを繰り返した。
還元型ヘモグロビンの濃度変化率はfMRI信号とほぼ同時に基線と交差し，overshootを示した。計算により求めた脳血液量の増加変化はfMRI信号が基線と交わる以前に基線レベルに戻ると推定され，それ以降のfMRI信号の undershootを示す部分は酸素代謝の上昇が主成因と推定された。
本田 学，田中 悟志
高次運動皮質である（前）補足運動野の機能は運動制御に限定されるのではなく，言語のような一次元情報を逐次的に直列処理する際に重要な役割を果たす可能性が脳機能イメージングによって示唆されている。しかしその機能的有意性はあきらかではない。そこで機能的磁気共鳴画像法と経頭蓋磁気刺激法をくみあわせてもちいることによりその機能的有意性を検討した。まず言語的表象操作課題を実施しているときの前補足運動野の活性部位を個人ごとに同定した。次に経頭蓋磁気刺激法をもちいて同部位の脳活動を一過性に干渉することによって，言語的表象操作課題ならびに空間的表象操作課題の成績に及ぼす影響を検討した。その結果，前補足運動野の活動の干渉は言語的表象操作課題の反応時間を選択的に延長することを見出した。この結果は，内側運動前野が逐次的連続的な操作に有意な役割を果たしていることを示唆している。
本田 学
八木玲子（総合研究大学院大学）
仁科 エミ（メディア教育開発センター）
大橋 力（国際科学振興財団）
これまでの検討により，人間の可聴域上限を超える非定常な成分を豊富に含む音は，情動と感性を介して行動制御にかかわる神経回路（中脳背側部，前頭前野眼窩部，前帯状回，前頭前野内側部）を活性化することが明らかとなっている。またこうした音成分は，人間の遺伝的進化の舞台となった熱帯雨林の自然環境のなかに豊富に含まれていることから，人間の環境情報把握能力ならびにそれに基づいた行動制御に密接に関連されることが予想される。そこで超高周波成分の増強が刺激受容行動（接近行動）に対して及ぼす影響を検討した。超可聴域成分を原音のまま呈示する条件，超可聴域成分のみを3dB増強した条件，6dB増強した条件で，最適聴取レベルを検討したところ，3dB増強条件で最大の最適聴取レベルを示した。このことは超高周波成分の増強は，刺激受容促進効果をもたらすものの，強度−効果の関係は非線形であり，なんらかの最適値を示すことを示唆している。
本田 学
加藤比呂子（NTTコミュニケーション科学基礎研究所）
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。これまでに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てきた。さらにその検討をすすめ，外生変数の影響のしかたにradial basis functionを加えることによって，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変調を加えるモデルの推定誤差が減少することを明らかにした。
荒牧勇（科学技術振興機構）
定藤規弘
周期的な両手協調リズム運動においては，同位相モードと反位相モードという2つの安定なモードがある。この2つのモードの安定性は等価ではなく，運動周波数の増加などにより反位相モードから同位相モードへの突然の変化がおきる（相転移現象）。本研究はこうした運動パターンの突然の転移に関連する脳活動を事象関連磁気共鳴画像法を用いて調べた。その結果，相転移現象に関連する領域は，前補足運動野，運動前野吻側，下頭頂葉といった，運動の計画に関与すると考えられている脳部位であった。一方，反位相モードや同位相モードの維持に関連する領域は固有補足運動野，運動前野尾側，一次運動野といった，運動の実行に関与する脳部位であった。また，相転移に関連する脳活動は右半球優位であったが，この偏在は，行動データにおいて相転移時に左手の運動が乱れる傾向があることと関係すると考えられ，両手協調運動において半球間の相互作用が非対称である可能性が示唆された。
