生理学研究所年報 第30巻
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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,各レベルや各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している。

 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,脳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)脳のNMDA受容体局在の左右差とその生理的意義を探る。4)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。5)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う。6)シナプス-グリア複合環境の動的変化による情報伝達制御のメカニズムを明らかにする。

 

グルタミン酸受容体のシナプス内分布様式とそれらのシナプス伝達へ与える影響

足澤悦子,深澤有吾,松井 広,重本隆一

 グルタミン酸性シナプス伝達は中枢神経系における主要な興奮性伝達機構である。これまでに電気生理学的手法や免疫電子顕微鏡法を用いてシナプス後膜に発現するグルタミン酸受容体の発現量や機能解析がなされてきた。しかし,シナプス後膜にグルタミン酸受容体がどのように分布し,それがシナプス伝達にどのように関わっているかは,技術的な限界のために不明な点が多い。そこで我々は,故藤本和教授(福井県立大学)により開発された凍結割断レプリカ免疫標識法(SDS-digested freeze - fracture replica labeling, SDS-FRL)を改良し,ラット外側膝状体のリレー細胞に形成される機能的に異なる2種類のシナプスにおけるAMPA受容体の2次元的な分布様式を解析した。その結果,AMPA受容体はシナプス内でclusterを形成し,シナプス内に不均一に分布していること,その程度が2種類のシナプスで異なることが明らかになった。さらにSDS-FRL法より得られた実際のAMPA,NMDA受容体分布情報と各受容体のkinetic modelを用いたシミュレーションを組み合わせ,受容体局在とシナプス応答の関係を検討した結果,この不均一分布が個々のシナプス伝達の大きさの不均一性に与える影響は小さく,発現する受容体数に依存して個々のシナプス特性が規定されることか明らかになった。これらの結果により,シナプスに発現するすべてのグルタミン酸受容体がシナプス応答に寄与できるほど十分小さく,これによりシナプス応答が安定化されるように作られていることが示唆された。

 

小脳運動学習の記憶痕跡

王 文,Wajeeha Aziz,足澤悦子,深澤有吾,重本隆一

 ある種の運動の学習が行われる過程で小脳における,平行線維―プルキンエ細胞シナプスの長期抑圧現象が関与することが知られている。しかし,実際に学習した動物において,このシナプスに存在するAMPA受容体数やシナプスの構造にどのような変化が起こるのかは知られていなかった。我々は,マウスの水平性視機性眼球運動をモデルとして一時間の学習で引き起こされる短期適応が,小脳片葉の平行線維―プルキンエ細胞シナプスにおけるAMPA受容体密度の減少を伴っていることを,凍結割断レプリカ標識法によって明らかにした。また,5日間連続の一日一時間の学習によって引き起こされる長期適応は,AMPA受容体ではなく平行線維―プルキンエ細胞シナプス自体の減少を伴っていることを明らかにした。これらの結果は,脳内に短期的に刻まれる記憶の痕跡が,長期的に安定化されるに従って,構造的な変化へと変換されることを示している。さらにこの変換に関わる分子メカニズムを解明することを目指している。

 

記憶・学習とグルタミン酸受容体の局在調節機構の役割

深澤有吾,重本隆一

 神経細胞はシナプスを介して機能的に結合し,情報伝達することで,脳の情報処理機構を担い,また,その機変化が学習・記憶の細胞レベルの素過程であると考えられている。グルタミン酸を介したシナプス伝達は,脳内の主要な興奮性シナプス伝達であり,シナプス前細胞から放出されたグルタミン酸がシナプス後細胞のグルタミン酸受容体に結合することで,興奮が伝達される。従って,シナプス後に発現するグルタミン酸受容体の種類や量,また,その分布が個々のシナプスでの伝達特性の調節に深く関与し,これらの変化が記憶形成に重要な役割を持つと考えられる。本研究課題では,AMPA型グルタミン酸受容体を中心にグルタミン酸受容体の細胞膜上分布を凍結割断レプリカ標識法を用いて明らかにすると同時に,学習時や実験的シナプス可塑性(長期増強現象)誘導時の受容体局在を観察することで,記憶・学習現象と受容体局在との関連性や因果関係を明らかにすることを目的としている。これまでに海馬歯状回シナプスの長期増強現象誘導後にシナプス内AMPA受容体密度が一過性に増加することを見出し,新規探索課題後にも同様な変化が起きていることを確認し,受容体レベルのシナプス再構築が動物の行動時に広範に起きていることを示唆する結果を得ている。また,シナプスに発現するAMPA受容体密度変化が短期的な記憶痕跡であり,AMPA受容体密度変化を可視化することで,脳内の記憶形成領域を可視化できることも示唆された。今後は,短期記憶痕跡を脳内の広範な領域でマップ化できる基礎技術を確立し,学習・記憶形成の場を明らかにすると同時に,シナプスの機能的変化が神経細胞ネットワークの活動にどのような影響を与え,それがどのように記憶形成に関与するのかについて明らかにしたいと考えている。

 

樹上突起スパイン内アクチン細胞骨格系の可視化

深澤有吾

 脊椎動物の中枢神経系には,樹状突起スパインと呼ばれる突起状の構造にシナプスを形成する神経細胞が多く見られ,アクチン細胞骨格に富む点で特徴的である。既にこのスパイン内アクチン細胞骨格の動態と,学習・記憶(神経可塑性)との機能的関連性を示す知見が多く得られているが,その分布や調節機構は明らかにされていない。この樹状突起スパインは長さ1ミクロンほどの構造物であり,その内部構造や細胞膜表面の分子分布を明らかにするには電子顕微鏡レベルの定量的な分子局在解析技術が必要である。そこで,電子顕微鏡レベルの新規技術を駆使して,スパイン内アクチン細胞骨格を多角的に可視化し,その局在を詳細に捕らえることを目指している。具体的には,1)従来通りの固定標本を試料として,電子顕微鏡断層撮影法を行い,その内部構造を可視化する。(国立精神・神経センター神経研究所 諸根信弘博士との共同研究),2)凍結割断レプリカエッチング法を用いてスパイン細胞膜直下の裏打ち構造を可視化する。3) 培養神経細胞の無固定・無染色標本のスパインを位相差電子顕微鏡法で観察し,その内部構造を明らかにする(生理研・ナノ形態 永山國昭教授との共同研究)。

 これらの解析を通して,樹状突起スパイン内の微細構造を明らかにし,神経伝達関連分子の局在情報と合わせて考察する事で,シナプス機能の調節メカニズムを明らかにしたい。

 

海馬シナプスの左右差

篠原良章,川上良介,重本隆一

 脳の機能的な左右差はヒトで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い。我々は九州大学の伊藤功助教授らとの共同研究により,マウスの海馬NMDA受容体サブユニット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。さらにシナプス形態や他のグルタミン酸受容体の左右差を調べたところ,CA1放射状層においては,右から入力を受けるシナプスが,左から入力を受けるシナプスに比べ,サイズが大きくmushroom typeのスパインが多く,AMPA型グルタミン酸受容体GluR1サブユニットの密度が高いことを発見した。NR1, NR2A, GluR2などその他のサブユニットは,これらのシナプスに同じ密度で分布しているが,サイズの違いから蛋白総量は右から入力を受けるシナプスの方で約1.5倍多くなっている。さらにこの非対称性の生理的意義を解明するために,左右の脳を分断したマウスで空間学習を調べたところ,右の海馬を用いた場合の方が,左の海馬を用いた時に比べ,学習能力が高いことが明らかになった。現在,これらの現象の因果関係を解明することを目指している。

 

Calyx of Held シナプス成熟過程における受容体配置の変化と機能

釜澤尚美,松井 広,重本隆一

 脳における情報処理が正常に機能するためには,シナプス伝達効率の最適化が必要である。聴覚系のシナプスでは特に,数百Hz以上の速度で送られてくる信号を正確に伝達する機能が必要である。ラットでは,生後3週間で聴覚系の機能が完成するが,それまでの間にシナプスの成熟が迅速に行なわれる。我々はcalyx of Held(前蝸牛核神経終末端)とMNTB(台形体核)主要神経細胞が形成する巨大シナプスの発達過程に着目し,このシナプスにおける受容体配置の最適化の過程について,昨年度に引き続き解析を行った。Calyx of Heldは杯状の形態を示し,MNTB細胞体上にグルタミン酸作動性シナプスを形成する。このシナプスは,凍結割断レプリカ像では,大きな細胞体とその周囲に密着した扁平な構造として観察されるため,受容体の2次元的配置を解析するのに適している。レプリカ標識法によるAMPA受容体・NMDA受容体に対する標識は,主要細胞の細胞体E-face上に存在する膜内粒子(IMP)のクラスターとその周辺に認められた。生後1週間ではグルタミン酸受容体のクラスターのIMP密度は低く,抗AMPA単独,抗NMDA単独で標識されるクラスターと,両者に対する標識が混在するクラスターが観察された。生後3週間ではIMPクラスターの凝集密度は上昇し,NMDA受容体に対する標識はほとんど存在しなくなった。一方,同様の発育段階のスライス標本で,MNTB主要細胞から電気生理学的記録を行ったところ,ひとつひとつのシナプス小胞の開口放出に対する応答(mEPSC)が検出され,AMPA受容体,NMDA受容体それぞれに由来する成分が確認された。ところが,E-face上に得られた抗AMPA標識を使って,シナプス応答をシミュレーションしたところ,実際に記録されるAMPA受容体由来の応答より,はるかに小さい応答しか再現できないことが明らかになった。これまで我々は,小脳シナプスのレプリカ標本では,シナプスに発現しているAMPA受容体数のほぼ100%がE-face側に検出されることを示してきた。しかし,今回の研究では,MNTB細胞では,E-face側に検出できる受容体数の,少なくとも1.8倍のAMPA受容体数がシナプスに存在する可能性が示唆された。そこで,相補的なレプリカ面(P-face)へのAMPA受容体(GluR2/3)標識を行なったところ,P-faceにも充分な標識数が認められた。同様にNMDA受容体のNR2B標識もP-faceに認められた。発育期のMNTB細胞では,AMPA受容体・NMDA受容体ともに,凍結割断時に,E-faceとP-faceの両方に分配されうることが示されたので,今後は,P-face抗体の標識効率を検討し,MNTB細胞体でのAMPA受容体・NMDA受容体の発現数・分布等を明らかにしていきたい。さらに,レプリカ標識法と電気生理学から得られる情報,伝達物質拡散の数理的シミュレーションを併せて用いることで,発育にともなうシナプス後細胞の受容体配置の変化に加えて,前細胞のグルタミン酸放出部位とシナプス後細胞の受容体配置が空間的に制御される過程を明らかにすることを目指す。

 

GABAB受容体とイオンチャネルの共存

Akos Kulik (University of Freiburg),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,免疫電子顕微鏡法を用いて小脳,視床,海馬におけるGABAB受容体の異なる局在を報告してきた。GABAB受容体は海馬錐体細胞の樹状突起においてカリウムチャネルと共役し,ゆっくりとした過分極をおこすことがしられていたが,我々は,GABABR1とGIRK2サブユニットが,海馬錐体細胞の棘突起シナプス周辺で特異的な共局在を示すことを明らかにした。さらにGABAB受容体と電位依存性カルシウムチャネルやmGluR受容体とカリウムチャネルの共存について解明を目指す。

 

前脳基底核と黒質-線条体ドーパミン系の電気生理学的および
形態学的解析

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,注意等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。脳虚血後の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,線条体に虚血処置を加えたラットの新生細胞の分化,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。

 

シナプス-グリア複合環境の動的変化による情報伝達制御

松井 広

 シナプス前終末部から放出された伝達物質は細胞外空間を拡散し,その広がり方に従って,神経細胞間の情報伝達の特性は決定される(Matsui and von Gersdorff, 2006)。伝達物質の拡散を制御し,学習や記憶に重要とされるシナプス辺縁の受容体の活性化を制御できる格好の位置に,グリア細胞が存在する。我々は,シナプス-グリア複合環境の動的変化が,伝達物質濃度の時空間特性にどう影響するのか調べている。これまで,シナプス前細胞からグリア細胞のほうに向けて異所性のシナプス小胞放出があり,これがニューロン-グリア間の素早い情報伝達を担っていることを示してきた(Matsui and Jahr, 2006)。この情報伝達によってグリア細胞の形態や機能が制御されている可能性を,二光子励起イメージングによって解析している(Matsui, 2006)。グリア細胞によるシナプスの包囲率の相違が,シナプス伝達にどんな影響を与えるのかを,電気生理学・電子顕微鏡法も組み合わせて解明する。

 

大脳神経回路論研究部門

【概要】

 大脳皮質は多くの領域から構成され,それぞれが機能分担をすることで知覚,運動,思考といった我々の知的活動を支えている。大脳皮質がどのようにしてこのような複雑な情報処理をしているかは未だに大きな謎になっている。この仕組みを知るためには,皮質内神経回路の構造と機能を明らかにする必要がある。新皮質回路を構成するニューロンは形態的に極めて多様であることが知られているが,この多様性を理解することが皮質機能の解明には不可欠であると考えている。

 本部門では,皮質出力がどのように作られるという観点から,皮質局所回路の構築原理を解明することを目標としている。そのために,多様な皮質領域や皮質下構造に投射する前頭皮質を構成する錐体細胞野,GABA作働性介在細胞のニューロンタイプを,分子発現・生理的性質・軸索投射・樹状突起形態など多方面から同定した上で,これらの神経細胞間のシナプス結合を電気生理学・形態学の技術を組み合わせて調べている。皮質振動現象におけるニューロンタイプの発火様式や,皮質外シナプス入力パターンの解析も併せて行うことで,大脳システムでの前頭皮質局所回路の機能的役割を理解したいと考えている。現在は主に,各ニューロンタイプの樹状突起分枝ルール,その上のシナプス配置,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選択性,徐波におけるニューロン活動様式を定量的に解析している。

 

連続超薄切片観察による神経組織の高精度3次元再構築法

窪田芳之,畑田小百合,川口泰雄

 神経細胞上のシナプス結合を解析する方法として,連続超薄切切片の電子顕微鏡観察から,神経組織を3次元再構築する方法があげられる。私達は,この方法に関して,下記の2つの問題点に気がついた。1)超薄切切片の厚みの正確な測定が,3次元再構築像の質を大きく左右する。2)切片面に平行あるいは平行に近い角度に存在するクレフト面を持つシナプス結合は,従来のシナプス結合の定義では見逃してしまう。これらの問題点を改善する方法を開発した。超薄切切片の厚み測定方法であるが,z軸方向に0.01nmの解像度を持つ干渉光顕微鏡を使えば,信頼できる測定が可能である事を確認した。また,シナプス結合の同定に関して,切片面に平行あるいは平行に近い角度のクレフト面を持つシナプス結合は,連続切片で,従来のシナプス結合の同定の為の定義の順序通りにシナプス結合の要素が観察できる場合はシナプス結合と判断して良い事を,tomography解析等により見出した。

 

大脳皮質における錐体細胞と抑制性介在細胞の結合特異性

大塚 岳,川口泰雄

 皮質回路では,錐体細胞間で特異的に結合がなされサブネットワークを形成していることが知られている。今回,錐体細胞と5層の介在細胞間の結合特異性についてスライスパッチ法を用いて検討した。5層の介在細胞は,Fast Spiking (FS)細胞とnon-FS細胞に分類した。5層の錐体細胞と介在細胞から同時に記録し結合の有無を調べた結果,FS/錐体細胞ペアでは両方向の結合が多く見られたが,non-FS/錐体細胞ペアでは両方向の結合が殆ど見られなかった。グルタミン酸刺激法を用いて2/3層錐体細胞から共通入力を受ける確率を調べた。その結果,5層のnon-FS/錐体細胞間に結合がある場合に2/3層錐体細胞からの共通入力確率が高くなり,FS/錐体細胞間では結合の有無に依存しないことがわかった。以上から,5層の介在細胞は細胞タイプに依存して錐体細胞と層内・層間のサブネットワークを形成することが明らかになった。

 

前頭皮質5層錐体細胞と抑制性細胞の結合特性

森島美絵子,川口泰雄

 これまでに前頭皮質における2種類の5層錐体細胞,橋核投射細胞(CPn細胞)と対側線条体投射細胞(CCS細胞)と5層FS細胞の結合特性について調べてきた。本年度は,トランスジェニック蛍光標識したGABA細胞より発火様式にて同定したFS細胞と,蛍光逆行性標識した2種類の錐体細胞を多重ホールセル記録することによって,FS細胞から2つの錐体細胞への発散入力パターンについて調べた。その結果,単一FS細胞からCPn細胞/CPn細胞,CCS細胞/CPn細胞,CCS細胞/CCS細胞の3通りのグループへの入力確率は,それぞれの錐体細胞間の結合の有無にはよらなかった。また,単一FS細胞からの2個の錐体細胞での抑制の強さは,サブタイプの組み合わせ,錐体細胞間結合方向性,FS細胞への興奮結合の有無・強度に依存する可能性があることが示唆された。

 

徐波・ガンマ波におけるFS細胞の発火様式

Victoria Puig,牛丸弥香,川口泰雄

 新皮質ニューロンは睡眠中に脱分極Up状態と過分極Down状態の徐波リズムで振動している。UP状態には,視床由来の7から14ヘルツのスピンドル波と,皮質自身が作る30から80ヘルツのガンマ波がのっている。これらのリズム制御には抑制性ニューロンが重要な働きをすると考えられている。そこで,抑制性ニューロンで最も数が多FS細胞で,徐波時に現れる3種類のリズムでの発火パターンを調べた。Upでの発火時期をみると,前半と後半のどちらかで発火しやすいFS細胞があることがわかった(EarlyとLate FS細胞)。Early FS細胞は徐波から脱同期化すると発火頻度が下がり,逆にLate FS細胞は脱同期化すると発火頻度が上がった。この二種類のFS細胞はUp上のスピンドル・ガンマ波の異なる位相で発火した。Early FS細胞はLate FS細胞よりスピンドル波に強くカップリングし,振動の早い位相で発火した。

 

心理生理学研究部門

【概要】

 認知,記憶,思考,行動,情動などに関連する脳活動を中心に,ヒトを対象とした実験的研究を推進している。脳神経活動に伴う局所的な循環やエネルギー代謝の変化をとらえる脳機能イメーシング(機能的MRI)と,時間分解能にすぐれた電気生理学的手法を統合的にもちいることにより,高次脳機能を動的かつ大局的に理解することを目指す。特に,機能局在と機能連関のダイナミックな変化を画像化することにより,感覚脱失に伴う神経活動の変化や発達および学習による新たな機能の獲得など,高次脳機能の可塑性(=ヒト脳のやわらかさ)のメカニズムに迫ろうとしている。最近は,言語・非言語性のコミュニケーションを含む人間の社会行動の神経基盤とその発達過程に重点をおいて研究を進めている。

 

異種感覚間の周波数情報処理に関わる神経基盤

林 正道,田邊宏樹,定藤規弘

 我々は物体の特徴を認知する際,様々な感覚モダリティに入力される情報を統合することで信頼性を向上させている。例えば物体表面の粗さを認知する際には,触覚と聴覚に入力される刺激の周波数情報を利用していることが分かっている。本研究では触覚と聴覚に入力される刺激の周波数情報の符号化,統合・比較に関わる神経基盤をfMRIによって検討した。被験者は触覚-触覚間,及び聴覚-触覚間において低周波刺激の周波数比較課題を行った。解析の結果,周波数情報の符号化には刺激が入力される感覚モダリティに依存せず,前補足運動野,左下前頭回,右小脳が賦活された。周波数情報の統合・比較には条件に依存せず,右半球の前頭-後頭ネットワーク,大脳基底核,視床,左半球の下頭頂小葉,小脳が賦活された。これらの結果から,周波数情報の符号化及び統合・比較は感覚モダリティに依存しない共通のシステムによって処理されていることが示された。

 

視覚系と運動系に共通する動作表象の神経基盤

佐々木章宏

 後部頭頂葉は視覚運動情報の統合に重要な役割を果たすことが知られている。近年,ミラーニューロンと呼ばれる他者動作の視覚情報と動作遂行に関連した運動情報の両方に対して反応を示すニューロンが前頭葉と頭頂葉に存在し,両者が構成するネットワークがヒトの模倣行為の神経基盤とされてきた。しかし,脳損傷患者の研究から頭頂葉損傷が模倣行為の消失や失行症などの障害を引き起こすのに対し,前頭葉損傷では過度な模倣行為が起こることが報告されており,頭頂葉と前頭葉の機能的差異が示唆されている。そこで我々は,模倣に関連した他者動作の視覚情報と動作遂行のための運動情報が統合される脳領域を機能的MRI用いた実験により検討した。動作遂行と他者動作の観察に共通した活動は左側下頭頂小葉および左側頭頂間溝前方部で見られた。これらの結果は,下頭頂小葉および頭頂間溝領域が視覚系と運動系の動作表象を統合していることを示唆する。

 

時間的予告効果の神経基盤の解明:機能的MRI研究

吉田優美子,田邊宏樹,林 正道,河内山隆紀(国際電気通信技術研究所),定藤規弘

 課題を行う際,ターゲットを提示する直前に予告刺激を提示すると,行動成績が向上することが知られている(予告効果,warning effect)。先行研究から,予告効果は注意の警戒状態を引き起こし,運動処理を増進することが明らかにされており,注意の神経基盤をターゲットが現れる空間的方向,時間間隔などに分類し,それぞれの神経基盤を特定する研究が行われてきている。しかし,これまでに時間的予告に関しての研究はあまり行われてきていない。そこで,機能的MRIを用いて,時間的予告に関連した領域を明らかにするため,予告刺激とGo/NoGo課題を組み合わせて実験を行った。この結果,両側側頭-頭頂部接合部 (TPJ),右下前頭接合部 (IFJ),前補足運動野,左小脳が時間的予告に関連して賦活することが分かった。これらの結果から,時間的な注意の切り替えには大脳皮質―小脳ネットワークが深く関わっていることが示唆された。

 

相互模倣の神経基盤

岡本悠子,北田 亮,佐々木章宏,守田知代(科学技術振興機構)
板倉昭二(京都大学大学院文学研究科心理学研究室)
河内山隆紀(国際電気通信基礎技術研究所),田邊宏樹,定藤規弘

 相互模倣(他者の模倣をすること/他者から模倣されること)は乳児にとって中心的なコミュニケーション手段で,自閉症児の社会性を向上させることが示唆されている。我々は,相互模倣時の「自己の動作と他者の動作の同一性の認識」に関わる神経基盤をfMRIを用いて検討した。正常な被験者は右手を用いて数字を表す動作を行い同様のビデオを観察した。課題は1) 動作の同一性(一致/不一致)及び,2) 自己と他者の動作順序(先行/後行)の2×2の実験計画法を用いた(先行一致:模倣される,後行一致:模倣する)。動作の順序に関わらず,自己と他者の動作が同じときに,両側のExtrastriate body area (EBA) が活動した。さらに,自閉症傾向が高い被験者では,模倣される際にEBAの活動が低下した。これらの結果より,EBAが自己と他者の動作の同一性をコードし,他者とコミュニケーションをとるうえで重要な役割を果たすと考えられる。

 

触覚による顔表情の識別に関わる神経基盤

北田 亮,Ingrid S. Johnsrude1,河内山隆紀2,Susan J. Lederman1
1Queen’s University,2国際電気通信基礎技術研究所)

 ヒトは触覚でも他者の顔が表出する感情表現を識別できる。しかし触覚による顔表情の認識に関与する脳内メカニズムは不明である。我々はfMRIを用いて,触覚による顔表情の認識に関与する神経基盤を調べた。晴眼被験者が感情表情を表出したマスクと靴の模型を,触覚か視覚のいずれかで識別した。顔表情の識別条件は靴の識別条件に対して,左側中側頭回・左側下側頭頂小葉・左側下前頭回・両側中心前回を,視覚でも触覚でも活動させた。それとは対照的に左側上頭頂小葉の下内側部は,視覚に比べて触覚による顔表情の識別によって賦活した。また舌状回や上前頭回を含む他の脳領域は,触覚に比べて視覚の顔表情の識別で高い活動を示した。この結果は触覚と視覚による顔表情の識別には,下前頭回・下側頭頂小葉・上側頭溝後部周辺が共通に関与することを示すだけでなく,視覚と触覚による顔表情の処理にはお互いに異なる脳領域も関与していることを示唆している。

 

対連合学習過程の解剖学的・機能的結合解析

田邊宏樹,定藤規弘

 我々はこれまでに,連合学習を成立させる神経基盤について検討するため,遅延型対連合学習(PA)課題を遂行中の脳活動を機能的MRIにより計測し,上側頭溝前方部の活動が学習の初期に活動が高く学習が進むにつれて減衰すること,作業記憶に関わると考えられる両側の背外側前頭前野と頭頂間溝,左腹外側前頭前野 (VLPFC) の活動がみられること,さらに,これらの領域内で難しいPA課題の被験者の成績と相関するのはVLPFCのみであることを明らかにした。本年度はこれらの領域がどのような解剖学的・機能的結合を持つのかを明らかにするため,拡散強調画像法 (DTI) による領域間の解剖学的結合解析ならびにDynamic Causal Modelling (DCM) による領域間の機能的結合解析の基礎的検討を行い,対連合学習過程における上記の脳活動領域のシステムとしての振舞いを検討した。

 

聴覚-視覚の時間弁別に関与する神経基盤:機能的MRI研究

村瀬未花,田辺宏樹,林 正道
河内山隆紀(国際電気通信基礎技術研究所),定藤規弘

 異なる感覚信号の同時性を認識することは,環境の一貫した知覚表象をつくるために重要である。本研究では,2つの異なる感覚入力をうける多感覚領域が,異種感覚(聴覚-視覚)による同時性の知覚表象を符号化するという仮説を証明するため,健康な被験者に同時性判別課題による機能的MRI実験を行い,2つの刺激を同時と感じる閾値下と,非同時と感じる閾値上の聴覚-視覚刺激に対する脳活動を計測した。

 同時性/非同時性の閾値は,聴覚刺激が先行するとき70.3±5.8ms,視覚刺激が先行するとき79.4±5.2msであった。多感覚領域である右上側頭溝,下前頭回,左後頭頂間溝は,刺激が閾値下のとき,閾値上のときに比べ有意な活動抑制を示し,この抑制は,同時性判断課題で特異的に観察された。これらの結果は,上側頭溝,下前頭回,後頭頂間溝が,聴覚と視覚による異種感覚刺激の意識的な同時性判断に重要な役割を担うことを示唆する。

 

盲人における異種感覚領野を繋ぐeffective connectivityの可塑的変化

藤井 猛,田辺宏樹,河内山隆紀(国際電気通信基技術研究所),定藤規弘

 早期に失明した盲人が点字を読む際に,一次視覚野が活動することが知られているが,一次視覚野への信号の入力経路は明らかになっていない。そこで,早期失明者の点字弁別課題遂行中の一次視覚野への入力経路を明らかにする目的でfMRIデータへdynamic causal modelingを適用して賦活部位間の関連性 (effective connectivity) を解析した。ベイジアンモデル選択によると,一次体性感覚野と一次視覚野の直接経路を含まないモデルの方が含むモデルよりも優れていた。また早期失明者は視覚の背側経路のconnectivityが後期失明者や晴眼者より強かった。これらの結果は視覚の背側経路を通る皮質-皮質間のフィードバック経路が早期失明者における一次視覚野への主な入力経路であり,この経路の可塑的変化が早期失明者の一次視覚野の視覚から触覚処理への機能的変化に関与していることが示唆された。

 

感情認知における他者視点取得に関連する神経基盤の解明

間野陽子,原田宗子,杉浦元亮,齋藤大輔,定藤規弘

 他者視点取得は他者の知覚を取得し理解する能力であり他者の感情を認知する際に必要となる。我々は他者の感情に共感する際の他者視点取得の神経基盤をfMRIを用いて検討した。被験者は二文から構成される状況文を読み,主人公の感情を推測する課題を行った。一文目の主人公が二文目の出来事と同じ場所に存在する場所一致条件と,別の場所に存在する場所不一致条件を用いて他者視点取得の作業負荷(ワークロード)を実験的に操作した。被験者に提示される二文目は条件間で同じ内容に設定し文脈効果により変化する脳活動を計測した。その結果,場所不一致条件において主人公の感情を推測する際の神経基盤が場所一致条件時と比較して後部帯状皮質と右側側頭頭頂連結部での賦活が確認された。後部帯状皮質は他者視点取得と感情語の評価に関連することが知られており,側頭頭頂連結部は他者の心的表象の理解と同様に空間的な他者視点取得に関与することが知られている。我々は後部帯状皮質と右側側頭頭頂連結部の両領域が他者の感情を認知する際の他者視点取得のワークロードに関与することを示唆する。

 

向社会的意思決定におけるヒト線条体の役割の検討

出馬圭世,齋藤大輔,定藤規弘

 日常における個人の行動は食べ物や金銭などの物質的報酬だけでなく,他者からの評判・称賛といった社会的報酬にも動機づけられる。社会的状況における意思決定では金銭報酬と社会的報酬などの異なる報酬を同じスケールに変換し比較する必要がある。本研究ではそのようなプロセスにおける線条体の役割を検討した。被験者にはfMRI装置内において寄付するかしないかの意思決定課題を行わせ,その際にその選択が他者から見られているか否かも操作した。そうすると他者から見られている場合に寄付する場合(高い社会的報酬を期待)と,他者が見ていない場合に寄付せずお金を自分のものにする場合(社会的コストなしで金銭報酬の獲得を期待)に特に高い活動が両側の腹側線条体で見られた。この結果は線条体において様々な報酬が「脳内の共通の通貨」として処理されていることを示しており,日常の社会的意思決定において線条体が重要な役割を果たしていることが示された。

 

「漢字」と「かな」における意味処理機構の違いの検討

松本 敦

 漢字とかなは脳内において異なった処理機構によって処理が行われていることは多くの研究によって証明されている。しかし,それらは主に形態的なものであって,音韻処理や意味処理は共通の脳領域によって行われることが想定されている。本研究では漢字とかなでは異なった意味処理のネットワークを有しているのではないかという仮説をもち,意味プライミング課題を用いて検討を行う。意味プライミング課題では被験者がターゲット語に対して意味判断課題を行うが,その際直前にターゲット語と意味的に関連する語が呈示されると処理が促進される。その際脳内では意味ネットワークに関する領域がadaptationを起こすことが知られている。実験の結果,漢字とかなでは異なった領域にプライミング効果が観察され漢字とかなでは異なった意味処理機構が存在することが明らかとなった。

 



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