National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) This page is a page of the former research institute. We stopped updating on March 31.2001.
E-mail to webmaster (Japanese) E-mail to webmaster (English)

フィージビリティスタディ

行動下サルの脳神経活動の光計測技術の開発

いいじまとしお

飯島　敏夫

■目的

脳の優れた情報処理機能は必要な神経回路（神経細胞間の機能的結合）を自己組織的に形成すること、又、出来上がった神経回路は、その後も入力依存的に極めて柔軟に変形しうることなど生体特有の性質（自己組織性、柔軟性、協調性、補足性など）を究極にまで利用した結果として成り立っている。この脳機能の研究を大きく推進させるために、今、従来の方法では得られなかった脳活動の情報を収集できる新しい計測気の開発が急務となっている。それにより新たな研究パラダイムの創造も可能となる。

本研究では行動下のサルにおいて大脳皮質の神経活動を巻く電位感受性色素を用いた光学的手法により連続記録する技術の確立を目指す。この技術を用いて運動課題学習前、学習後の運動と大脳皮質運動関連領野の神経活動の変化のダイナミックスを比較解析することから、脳でどのように運動プログラミングがなされ、又、その修正がどのような機構で行われているかなどが明らかにされると期待される。

■成果

（1）本研究の背景と意義

脳情報処理では比較的、単純そうにおもわれる感覚の一次処理などでも、個々の領野内での処理過程と、異なる領野にまたがった協調的動作が基本となって行われており、その活動は空間的広がりをもっている。従来、脳機能研究の有力な手段として電気生理学的な単一ニューロン活動記録が広く用いられてきた。この方法は個別のニューロンの活動をリアルタイムに記録できることを最大の長所としているが、活動の動的分布を解析するためには十分ではない。一方、PETや機能的MRI法などによる計測は脳神経活動にともなう代謝性変化を計測するものであり、神経活動（興奮）そのものを捉える方法ではない。この脳活動の時間的かつ空間的分布を、同時に高分解能で記録することが近年の脳の高次機能解明のための研究で求められている最重要課題の一つといえる。その理由は、機能コラム・スパースコーディング並列分布処理・階層的情報処理など、大脳情報処理様式に関する重要な計算論的仮説の検定に必須だからである。電位感受性色素を用いたリアルタイムオプティカルレコーディング法は時間的及び空間的分解能という点で極めて優れており（文献1-4）、この方法が課題遂行下の動物の脳活動計測に実用化されれば脳の高次機能解明のため非常に有力な手段となる。

（2）当該技術の確立のために克服すべき問題点

平成７年度から我々は新計測技術の開発に取り組んだ。その中で実際にサルを用いて脳神経活動の計測実験を繰り返し、計測を実現するために克服すべき問題点の洗い出しを行うとともに、その対策について検討した。その結果、現在の計測上の問題点は以下のとおりであると結論された。

a　記録部位上の頭蓋骨および硬膜を除去した後も長期間脳機能を正常に保つこと

s　電位感受性色素注入にともなう脳へのダメージを最小限にすること

d　心拍や呼吸由来の脳表面の変位に伴う振動性ノイズを最小限にすること

f　生体の自発運動にともなう振動性ノイズを最小に押さえること

又、それぞれの問題についての技術的な改善策としてa〜dについては頭蓋骨に装着するチャンバーの改良により効果が期待される、fについては現在製作中の特殊顕微鏡筒を直接頭蓋骨に固定することにより、脳とイメージセンサーとの相対的な位置関係が維持されるので改善が大いに期待できると結論された。

（3）計測実験を通してこれまでに得られた脳活動記録

平成７年度の研究は上記のように技術的問題点の洗いだしに主眼を置いて進められたが、その実験のなかでも軽度な麻酔下のサルにおいては大脳皮質、体性感覚野における神経活動の光計測に初めて成功した。この研究では手指の圧覚刺激に対する一次体性感覚野の神経応答の記録に取り組んだ。その結果、刺激後、約10ミリ秒の潜時を経て興奮がまず３b野に現れ、その後、１野に広がる様子が明確に捉えられた（図１, ２）。それぞれの異なる指刺激に対する興奮の応答中心は一次性感覚野の異なる空間領域にトポロジカルに配置するが、興奮の最大応答領域にはオーバーラップが認められ、それらの記録からサル一次体性感覚野の機能構造が明らかにされた（文献５）。又、本研究では頭蓋骨に装着するチャンバーの改良から、数箇月にわたる慢性実験を可能とすることができた。

このような取り組みの中で新しい脳神経活動計測法の確立が着実に計られており、その完成により脳機能の解明が飛躍的に進むものと期待される。

図１　サルの大脳、一次体制感覚野の神経応答の光学的計測実験セットアップ

図２　指先に与えた機械的刺激によりサルの一次体性感覚野に誘導された光シグナル変化（下のトレース）と
そのリアルタイムイメージング（上図）

文　献

1） 飯島敏夫、神経興奮の光学的イメージング、細胞（ニューサイエンス社）Vol. 27, 25-29, 1995

2） 飯島敏夫、神経の構築と情報表現、脳、心、コンピュータ（日本物理学会編、丸善）59-75, 1995

3） T. Iijima, M.P. Witter, M. Ichikawa, T. Tominaga, R. Kajiwara, G. Matsumoto; Entorhinol-Hippocampal Interctions Revealed by Real-Time Imaging. Science, 272, 1176-1179, 1996

4） M.E. Barish, M. Ichikawa, T. Tominaga, G. Matsumoto, T. Iijima; Enhanced fast synaptic transmission and a delayed depolarization induced by transient current blockade in rat hippocampal slice as studied by optical recording., J. Neuroscience, in press (1996)

5） T. Iijima, K. Kurata, H. Komatsu, M. Ichikawa, I. Takashima; Digit representations in the primary somatosensory cortex of monkeys as revealed by a real-time optical recording. J. Neurophysiol. in press (1996)