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大脳皮質視覚野の微小神経回路網の形成には生後の正常な視覚体験が必要である

2014年09月11日

 大脳皮質の機能は生後の経験や学習に依存して発達する。例えば、生後発達期に様々な視覚体験を経て成熟すると、物を知覚する能力が向上するが、物を見ずに成長するとその能力が弱まる。視覚機能の発達には、ニューロン活動に依存した神経回路形成が重要である。我々はこれまでに、大脳皮質一次視覚野内には特異的な神経結合により形成された微小神経回路網が埋め込まれていることを報告している。この微小神経回路は情報処理の機能単位であると考えられるが、その形成過程についてはわかっていない。
 今回、我々は、生後の視覚体験が、微小神経回路網と神経結合の形成にどのような影響を与えるかについて調べるために、生後発達期に開眼したばかりの非常に未熟なラット、正常な視覚体験を経たラット、暗室飼育により視覚体験を全くしていないラット、大ざっぱな明るさの変化は体験しているが、様々な形をした物体を見るなどの意味ある視覚体験を遮断されたラットを使用し、それらの大脳皮質視覚野の神経回路を電気生理学的手法と光スキャン刺激法を用いて調べた(図1)。開眼直後のラットの視覚野を解析したところ、個々のニューロン間に神経結合がみられる確率は低く、選択的な神経結合による微小なスケールの神経回路網はまだ形成されていなかった。正常な視覚体験を経たラットの視覚野には、多くの神経結合により構築された微小神経回路網が存在した。一方、視覚体験を全くしていないラットでは、個々の神経結合の確率は低く、微小神経回路網も構築されていなかったことから、それらの発達には視覚体験が必要と考えられる。一方、形態視のみを遮断されて育ったラットでは、個々の神経結合は正常な視覚体験を経たラットと同様の確率で観察されたが、微小神経回路網の発達は障害されていた(図2)。これらの結果は、大脳皮質視覚野の個々の神経結合は明暗の視覚刺激があれば形成されるが、個々の結合が組織化されて微小神経回路網が形成されるには、生後発達期の形態視を含む豊かな視覚経験が重要であることを示唆する。

Ishikawa, A.W., Komatsu, Y., Yoshimura, Y. (2014) Experience-dependent emergence of fine-scale networks in visual cortex. J Neurosci. 34(37):12576-86


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電気生理学的手法と光スキャン刺激法による微小神経回路網の解析
正常な視覚体験を経たラット視覚野スライス標本を用いた解析例。光スキャン刺激法を用い、局所的にケージド化合物を解除し、神経細胞を活動させることで、効率的に神経回路網を解析した。A, 同時記録した錐体細胞への興奮性入力の分布をカラーで示す。B, ケージドグルタミン酸を用いた光刺激により誘発された興奮性シナプス後電流の例。C, 同時記録した興奮性シナプス後電流に相互相関解析法を適用し、両細胞への共通入力の割合を算出した。図中の数字は両細胞が受ける共通入力の割合を示す。



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生後の視覚経験に依存した一次視覚野の微小神経回路網の形成
開眼直後の未成熟な一次視覚野では、神経結合は少なく、微小神経回路網は存在しない(左)。生後発達期に正常な視覚経験を経ると、選択的な興奮性結合からなる微小神経回路網が形成される(右上)。この時期に暗室飼育により視覚入力を完全に遮断すると、神経結合と微小神経回路網の形成が共に阻害される(右中)。一方、両眼遮蔽により形態視を遮断して飼育すると、個々の神経結合は形成されるが、微小神経回路網は欠損する(右下)。