大脳基底核は脳の内部にある部位で、身体の運動のコントロールや運動学習に関わっていることが知られています（図1参照）。この大脳基底核の機能が異常になると、パーキンソン病などに見られる運動障害（手足のふるえ、運動が緩慢になる、歩行障害など）が発症します。我々の研究室はこれまで大脳基底核の機能について研究を続けており、運動コントロールに関わる仕組みを明らかにして、パーキンソン病などの運動障害が発症するメカニズムを理解し、さらにその治療法の開発に繋がる知見を得てきました。　

　大脳基底核内には①“ハイパー直接路” ②“直接路” ③“間接路”の3つの神経ネットワークがあり（図１参照）、運動皮質から出力された運動に関わる情報は、これら３つの経路に分かれて処理され、最終的に大脳基底核の出力部位である黒質網様部に伝わり、そこから処理された運動情報が運動皮質に戻ります。

しかし、それぞれの経路がどのような運動情報の処理を行っているのかは明らかになっていません。そこで今回の研究では、マウスの運動皮質から視床下核に繋がる神経細胞を選択的に破壊することで、ハイパー直接路の神経連絡だけを除去し、マウスにどのような変化が起こるのか調べました。

 

　研究グループは、光を応用して特定の神経細胞を選択的に破壊する技術（注）を利用し、ハイパー直接路を選択的に除去することに成功しました。その結果、大脳基底核内の情報伝達に異常が見られました。正常なマウスでは運動皮質を電気刺激して、黒質網様部の神経細胞活動を記録すると、早い興奮－抑制－遅い興奮、と続く三相性の反応が見られます（図２Aの上グラフ）。しかし、ハイパー直接路を選択的に除去すると、早い興奮反応だけが消失していました（図２Aの下グラフ）。これはハイパー直接路が早い興奮性の運動信号を黒質網様部に伝達していることを示しています。黒質網様部は運動皮質の活動を抑える働きがあることから、ハイパー直接路からの情報を除去すると、運動皮質の活動を抑えられなくなり、マウスの運動量が上昇すると予測されます。

そこで実際に、マウスの行動の変化を調べたところ、ハイパー直接路の選択的除去後に、マウスの運動量が上昇していることが分かりました（図２B）。　この結果はハイパー直接路が運動の抑制に関わっていることを示しています。

 

　ハイパー直接路は大脳基底核内で早いタイミングで起こる興奮性の運動信号を伝達すること、さらに黒質網様部は運動皮質の活動を抑える働きがあることから、ハイパー直接路は運動の実行前に不必要な運動皮質の活動を抑える役割があるということが示唆されます。このハイパー直接路の働きによって必要な運動情報が間違いなく脳幹や脊髄などに伝達することができると考えられます。

 

　南部教授は、「今回の研究で、これまで不明であったハイパー直接路の機能について知ることができました。さらに大脳基底核の各経路の機能を調べ、パーキンソン病などの神経難病が症状を示すメカニズムや治療法の開発につなげて行きたい」と話しています。

 

　本研究は文部科学省科学研究費補助金（新学術研究領域「オシロロジー」、基盤研究A、C）、CREST、武田財団の補助を受けて行われました。

今回の発見

1. 運動皮質から視床下核に繋がる神経ネットワークを除去すると、大脳基底核内の情報のうち、早いタイミングの興奮性の運動信号が消失しました。
2. 運動皮質から視床下核に繋がる神経ネットワークを除去すると、マウスの運動量が上昇しました。

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