「霊長類における高次脳機能のシステム的解明」近畿大学医学部生理学教室（主任：稲瀬正彦教授）１．ニホンザルの大脳における歩行制御機序の解明２．異種感覚刺激の時間情報表現１．ニホンザルの大脳における歩行制御機序の解明中陦克己、村田哲、稲瀬正彦緒言歩行障害は高齢者に多く認められる病態で、神経疾患に起因するものが多い。その代表的は疾患には、多発性脳梗塞等による大脳皮質障害や Parkinson 病等の大脳基底核疾患が挙げられる。Parkinson 病にみられる歩行障害の特徴は歩幅の減少、すくみ足、前傾前屈姿勢、姿勢反射障害などであるが、これらの症状は前頭葉損傷例の病態と重複する点が多い。このことは、大脳皮質－大脳基底核ループの機能不全が両疾患の歩行障害に共通して関与することを推定させる。しかし神経生理学の分野では大脳の歩行制御機能に関する知見は乏しく、大脳皮質・基底核疾患にともなう歩行障害の病態生理についても未だ不明な点が多い。従ってその病態の解明は、未曾有の高齢化社会を迎える我国にとって喫緊の重要課題の一つである。我々は、大脳皮質－大脳基底核ループにおけるヒト二足歩行制御機序の実験的解明を目的として、無拘束の状態で流れベルト上を歩行するサルの大脳皮質および大脳基底核から単一神経活動を記録している。本報告書では、大脳基底核と運動ループを構成する一次運動野に焦点を当て、歩行中の神経細胞の活動様式から同領域の歩行制御機能を考察する。実験方法対象には一頭のニホンザル（メス、体重 8kg）を用い、流れベルト上を無拘束の状態で四足歩行（図 1-A）および二足歩行（図 1-B）を交互に遂行する運動課題を学習させた。そしてサルが課題学習を修了した段階で、左右の体幹・四肢筋群のそれぞれに対して筋電図記録用ワイヤ電極を慢性的に留置した。単一神経細胞活動の記録では独自に開発した電動式マイクロマニピュレータを用いて、タングステン電極を一次運動野の下肢領域に刺入した。また高速ビデオカメラを用いて、記録中のサルの歩容を側方と後方から撮影した。オフラインでのデータ解析では、電気生理学的データに同期して録画されたビデオ画像から着地相と遊脚相を決定した。次いで歩行周期（着地相＋遊脚相）に伴う修飾様式を可視化するために、筋活動については整流化後に加算平均し、神経細胞活動については発射頻度ヒストグラムを作成した。そして姿勢制御負荷の程度が異なる二つの歩行様式（四足歩行と二足歩行）間における異なりに着目しながら、歩行中に同時記録された筋活動と神経細胞活動の修飾様式を比較した。結果現在まで延べ 16 の体幹・四肢筋群と 97 個の皮質神経細胞から課題関連活動を記録した。結果は以下の２点に要約される。 ① 四足歩行中の体幹・下肢筋群は、歩行周期に一致する相動的活動を示した（図 2-C）。サルが歩容を四足から二足に変換すると、それらの相動的活動は振幅・期間ともに増加した。特に体幹筋群ではその傾向が著しく、相動的活動に持続的活動が重畳した。二足歩行中に観察された相動的筋活動の殆どのピークは、一脚支持期に一致した。 ② 一次運動野から記録された神経細胞（n=97）の殆どは、四足歩行中に相動的活動（73%, 図 2-A）または相動／持続的活動（19%, 図 2-B）を示し、持続的に活動するもの（6%）は少なかった。歩容が二足へ変換されてもその活動様式は維持された（相動的：67%，相動／持続的：24%）。二足歩行中に観察された相動的活動では、その振幅は四足歩行に比べて有意に増大したが、期間の延長は認められなかった。加えてそれらのピークの時期は、あたかも一脚支持期を避けるように、一歩行周期内で他の期間に分布した。考察歩行運動の三要素には、しばしば体幹支持と推進力、平衡（バランス）が挙げられる。四足歩行では前肢と後肢が体幹の荷重を支えるが、二足歩行では後肢のみがそれを支えることになる。この二足歩行における後肢負荷の増大は、二足歩行中の後肢筋活動が四足歩行に比べて振幅・期間ともに増大したことからも支持される。そしてこれらの筋活動は二足歩行中の一脚支持期においてピーク値を示した。一方、二足歩行中の一次運動野の神経細胞活動では、四足歩行に比べて発射頻度のピーク値は増加したが、活動期間の延長は認められなかった。加えて後肢筋活動が最大となる一脚支持期においてピーク値を示す細胞は少なかった。このような神経細胞と下肢筋の間にみられた活動パラメータの解離は、サルの一次運動野・下肢領域の活動が体幹の荷重支持に対しては積極的に関与しないことを意味する。本実験で記録された一次運動野の神経細胞の中には、皮質脊髄路細胞として同定されている。以上の結果より、歩行中におけるサルの一次運動野は脊髄神経回路網の律動的活動をステップ・バイ・ステップで修飾しながら’精緻な’ 推進力の生成または平衡の制御に関与すると考えられ、この歩行修飾機能は二足歩行においてより強く動員されることが示唆された。以上の様なサル一次運動野のオン・ライン歩行修飾機能は、皮質脊髄路投射の最も発達したヒト二足歩行でより重要な役割を果たしていると推測され、皮質運動野ならびに皮質脊髄路を障害された際に生じる歩行機能異常の病態を説明し得る神経基盤と考えられる。２．異種感覚刺激の時間情報表現千葉惇、生塩研一（基礎医学部門）、稲瀬正彦緒言時間情報は、外界の認知や行動の制御など、我々の日常生活において極めて重要な役割を果たしている。しかし、神経系における時間情報の処理機構については、未だ十分には明らかにされていない。脳機能イメージング研究により、これらの時間情報処理に関わる脳領域として、大脳皮質前頭連合野と頭頂連合野、大脳基底核、小脳などが明らかにされてきた。また神経心理学的研究や動物の損傷実験では、大脳基底核の障害により、内部時計のスピードや時間情報の記憶が乱れることが報告されている。これらの結果をふまえて、Matell と Meck (2004)は、時間認知過程が、黒質ドパミン系を含めた大脳皮質−大脳基底核回路で実行される、という仮説を提唱した。我々は、その仮説に基づき、大脳皮質前頭連合野と大脳基底核との機能連関による時間認知の仕組みを、神経細胞活動レベルで解明することを目指して研究を進めている。これまでに、視覚刺激の時間弁別課題を遂行中の、サルの前頭連合野から単一神経細胞活動を記録・解析し、時間情報処理機構の解明を進めてきた。前頭連合野では２種類の時間情報処理に関わる神経細胞活動が見出した。一つは、視覚刺激呈示後に、刺激の呈示時間を、相対的な長短で表現する活動である。もう一つは、視覚刺激呈示中に、開始から一定時間後に一過性に発射する神経細胞活動である。この活動を用いて視覚刺激をフィルタリングすることで、自律的な基準時間に対する長短の判別が可能と考えられた。このように時間認知機構の解明は進んでいるが、まだまだ解明すべき大きな問題点が残っている。一つは、感覚モダリティの特異性についてである。これまでの実験では、我々の研究を含めて、視覚刺激の呈示時間を対象としてきた。しかし、時間情報処理機構を解明するためには、視覚だけではなく、聴覚など他の感覚モダリティを考慮しなければならない。時間認知に関して、感覚モダリティにかかわらず一つの中枢が存在するという考え方と、感覚モダリティにより関与する脳システムが異なるという考え方が対立している。これまでに見出してきた時間情報処理に関する神経細胞活動が、視覚刺激に関して特異的なのか、他の感覚モダリティの刺激に対しても同様に認められるか、について明らかにする必要がある。実験方法実験では、まず視覚刺激と聴覚刺激を用いた時間弁別課題を遂行できるように２頭のサルを訓練した。視覚刺激のみの時間弁別課題課題は、サルが中央下のホールドボタンを押すと開始し、まず眼前正面のモニター中央に白い小スポットが呈示される。１秒後にモニター中央に緑の四角(C1)が呈示される。続く遅延期間に再び白い小スポットが１秒間呈示され、その後に再びモニター中央に緑の四角(C２)が呈示される。続く１秒間の遅延期間後に、モニターの左右に青と赤の四角が同時に呈示される(C3)。C1 と C2 を比較し、C1 が長く呈示された場合は青の下にあるボタンを、C2 が長かった場合は赤の下にあるボタンを選択すると正答で、動物は報酬として果物ジュースを得る。C1 と C2 の長短の順序および C3 における赤青の配置は、ランダムに定める。刺激の呈示時間は、0.2 〜1.8 秒間（ 0.2 秒間隔）の間で適宜定める。視覚刺激と聴覚刺激を用いた時間弁別課題では、C1 あるいは C2 期間に、視覚刺激に替わって聴覚刺激を与える。聴覚刺激は、視覚刺激と同様の呈示時間の 1000Hz の音刺激とする。聴覚刺激呈示時に、モニター上には遅延期間に呈示される白い小スポットがそのまま表示される。C1 と C2 の組み合わせとして、視覚—視覚、視覚—聴覚、聴覚—視覚、聴覚—聴覚が可能となり、これを試行毎にランダムに用いた。訓練により動物が十分に課題を遂行できるようになった後、記録実験を開始した。まずネンブタール全身麻酔下で、無菌的に、頭部固定用装置と電極刺入のためのチェンバー等を取り付ける手術を行った。十分な術後回復期間をおいた後に、課題遂行中の動物からの神経細胞活動記録を開始した。記録には主にエポキシ被覆タングステン電極（FHC 社製）を用いた。大脳皮質前頭連合野の主な記録領域は、これまでの結果に基づき、前頭葉の主溝付近、主溝の背側部と腹側部とした。電極からの信号は、マルチチャンネル神経生理学システムで増幅し、保存した。単一神経細胞からのスパイクの検出、およびそれ以降の解析は、オフラインで行った。結果２頭の動物とも、一定の正答率（平均 86%）で課題を遂行できるようになった。ただし、正答率は呈示時間の長短の順序や刺激種類の組み合わせにより異なっていた。刺激の組みあわせに関しては、２頭とも聴覚—聴覚の試行で他の試行よりも正答率が低かった。また全体としては、長−短の順序の試行の方が短−長の試行よりも正答率が高かった。さらに、聴覚—聴覚の組み合わせで長−短の順序の試行で、特に正答率が低かった。また、長−短の試行では２つの呈示時間の比により正答率が変動する傾向がみられたが、短−長の試行では呈示時間の比の正答率への影響が小さかった。大脳皮質前頭連合野から 860 個の単一神経細胞活動を記録した。多くの神経細胞が感覚刺激呈示期（C1 期、C2 期）や刺激提示後の遅延期に、刺激呈示時間や感覚モダリティによって活動を変化させた。６４個の神経細胞が C1 に、１３９個の神経細胞が C2 に応答した。C1 応答細胞のうち４７個が視覚刺激のみに、８個が聴覚刺激のみに反応しており、C1 応答細胞の約 85%が感覚モダリティに特異的な反応を示し、また視覚刺激に応答する細胞が聴覚刺激に応答する細胞よりもはるかに多かった。C1 応答のピーク時間を調べてみると、視覚刺激応答の方が聴覚刺激応答よりも早い傾向が認められた。 C2 応答細胞のうち、７２個（52%）が視覚刺激のみに、３１個は聴覚刺激のみに、そして３６個が両方の刺激に応答した。C1 応答細胞と同様に、視覚刺激に応答する細胞が聴覚刺激に応答する細胞よりもはるかに多かった。C２応答のピーク時間を調べてみると、視覚刺激応答と聴覚刺激応答とが、全体としてほぼ同様の分布を示した。ただし C１応答のピーク時間の分布と異なり、刺激呈示開始から１秒以上にピークが認められる非常に遅い反応も、視覚刺激と聴覚刺激の双方に存在した。また視覚刺激と聴覚刺激の両方に応答する細胞では、それぞれの刺激に対して異なるピーク時間で反応する例も多く、その場合、視覚刺激に対する応答が聴覚刺激応答よりも早い傾向が認められた。２つの刺激呈示後の遅延期（D2 期）には 266 個の神経細胞が応答した。D2 応答細胞のうち、96 個は長−短の試行と短−長の試行とで、活動が異なっていた。すなわち、呈示順序に基づいて相対的な呈示時間を表現していた。このような活動は、私たちの以前の研究で、視覚刺激のみを用いた時間弁別課題中にも見出されている。このような相対的な呈示時間を表現する活動は、多くの神経細胞で、視覚刺激後でも聴覚刺激後でも同様の活動を示した。だたし、C2 の感覚モダリティに依存して応答を変化させる神経細胞も見られた。すなわち、C2 が視覚刺激、あるいは聴覚刺激の試行のみで、長−短試行と短−長試行とを区別する活動である。考察以上の結果は、大脳皮質前頭連合野において、視覚刺激と聴覚刺激の時間情報が、少なくとも部分的には、異なる神経ネットワークで、あるいは異なる様式で処理されていることを示唆する。謝辞本学ライフサイエンス研究所の渡辺さん、水口さん、山中さん、江川さんに実験動物の管理と飼養で、また同研究所の伏野さんに実験装置の製作でご援助いただきました。深く感謝申し上げます。研究業績論文村田哲 (2011) 身体意識とミラーニューロン Clinical Neuroscience 29: 909-918 村田哲前田和孝 (2013) 運動と認知を結ぶ手神経心理学 29: 61-70 Oshio K (2011) Possible functions of prefrontal cortical neurons in duration discrimation. Front Int Neurosci 5: 1-2 学会発表・抄録 Maeda K, Murata A (2012) Neural activity in area AIP/PFG related to visual feedback during hand manipulation. Mirror neurons New frontiers 20 years after their discovery. Erice, Italy Murata A, Maeda K, Naito E (2012) Body schema as a link between motor control and cognitive function. Proceeding ICME International Conference on Complex Medical Engineering. 467-470 Ota J, Asama H, Takakusaki K, Murara A, Kond T (2012) The concept of mobiligence and its future. Proceeding ICME International Conference on Complex Medical Engineering. 562-564 Murata A, Win Nyi Shein, Sakata H (2012) Relative position coding within the object for hand manipulation action in the parietal cortex. J Physiol Sci 62: S235 Nakajima K, Mori F, Murata A, Inase M (2012) Discharge patterns of corticospinal and other neurons in primary motor cortex of an unrestrained Japanese monkey walking on a treadmill. 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