【神経科学トピックス】
皮膚感覚を知覚する神経回路メカニズムの解明

【神経科学トピックス】

皮膚感覚を知覚する神経回路メカニズムの解明

理化学研究所 脳科学総合研究センター 行動神経生理学研究チーム
研究員 真仁田 聡(現 山梨大学医学部生理学講座第2教室 特任助教)
研究員 鈴木 崇之

ものに触れた時の情報は、脳の感覚野に伝わった後、一旦他の脳領域に出て、また感覚野に戻ってくる事を発見しました。この「戻ってくる情報」を遮断すると、マウスは「つるつる」と「ざらざら」といった肌触りを区別できなくなりました。以上の結果から、脳は、私たちの想像以上に複雑な回路で肌触りの情報を処理している事が分かりました。

私たちは手でものに触ると「つるつる」や「ざらざら」といった肌触りを感じます。このとき、手で感じた情報は脊髄などを通って大脳新皮質の第一体性感覚野に到達し、さらにより高次な脳領域へ伝わります。この刺激によって生じる皮膚から脳へ向かう情報(ボトムアップ情報)だけで、私たちはものを感じることができるのでしょうか。これまで、皮膚でものを感じるメカニズムは次のように考えられてきました。脳内の活動には、注意や予測といった脳の機能に関係があると言われている内因性の神経活動が存在します。この内因性の神経活動が高次な脳領域から一次感覚野へ向かい(内因性トップダウン情報)、外界の刺激によって生じたボトムアップ情報と統合されることで知覚が形成されるというものです。この考えでは、例えば注意をしていない場合のように、内因性トップダウン情報が存在しない場合には知覚が形成されないということになります。しかし、私たちはなにかに注意をしていなくても、例えば後ろから不意に肩をたたかれた場合でも、それを知覚することができます。このように、これまでの考えでは知覚に関するすべての主観的体験について十分な説明ができませんでした。このような背景のもと、私たちは内因性トップダウン情報がない場合でも知覚ができる神経回路メカニズムを発見しました。実験にはマウスを用いました。マウスの後肢を刺激して生じる神経活動を単一神経細胞レベルから回路レベルで測定し、また後肢の知覚にもとづく行動の解析を行いました。その結果、肢刺激で生じるボトムアップ情報が第一体性感覚野から高次脳領域(第二運動野)に送られ、次にその高次脳領域は第一体性感覚野にトップダウン情報を送ることが分かりました。つまり、情報が第一体性感覚野から高次脳領域へ伝わり、再び第一体性感覚野へ戻ってくるという反響回路の存在が明らかになりました。この外界の刺激によって生じる第二運動野から第一体性感覚野への情報を“外因性”トップダウン情報とここでは呼ぶことにします。この外因性トップダウン情報は第一体性感覚野の深い層と浅い層へと投射されることが解剖学的な実験により示されました。さらに生理学的な実験により、これらの投射により第5層の錐体細胞の遠位樹状突起においてCa2+スパイクが発生し,細胞体において持続的な発火活動が生じることが明らかになりました。外因性トップダウン情報がマウスの知覚にもとづく行動にどのような影響を与えるかを調べるために、光を照射することで特定の神経細胞の活動だけを抑制する技術を用いて、外因性トップダウン情報のみを抑制しました。すると、マウスは正常な皮膚感覚にもとづく行動を行えなくなり、外因性トップダウン情報がマウスの知覚形成に必須であることが示されました。私たちが発見した外因性トップダウン回路は、注意をしなくても外界の情報を感じることができる基本回路になっている可能性が考えられます。脳は状況に応じて、内因性トップダウン情報を必要とする知覚回路と外因性トップダウン情報で形成される知覚回路を使い分けていると考えられます。

A Top-Down Cortical Circuit for Accurate Sensory Perception, Satoshi Manita*, Takayuki Suzuki*, Chihiro Homma, Takashi Matsumoto, Maya Odagawa, Kazuyuki Yamada, Keisuke Ota, Chie Matsubara, Ayumu Inutsuka, Masaaki Sato, Masamichi Ohkura, Akihiro Yamanaka, Yuchio Yanagawa, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi, Matthew E Larkum, Masanori Murayama, 2015, Neuron, 86, 5, 1304-1316
* Co-first author

<図の説明>
2つの知覚モデル
左:外界からの刺激によって生じた皮膚からのボトムアップ情報と脳内で生じる高次脳領域からの内因性トップダウン情報が第一体性感覚野で統合されて知覚が形成される。右:①皮膚からのボトムアップ情報が第一体性感覚野を経由して②高次脳領域へ伝わる。③活性化された高次脳領域から第一体性感覚野へと外因性トップダウン情報が自動的に伝わる。このモデルでは、注意などの情報を運ぶ内因性トップダウン情報がなくても外界の情報を知覚することができる。

<研究者の声>
共著者のみなさんのおかげで論文にすることができました。いろいろと励ましてくれた素晴らしいメンバーと研究ができて幸せでした。また、いつも陰で支えてくれた(ている)妻にも大変感謝しています。この経験を生かしてよりよい研究ができるように励みます。(真仁田)

初の生きた動物からの記録や多くの新しい技術に挑戦したため、またラボの立ち上げからの参加で、実験が軌道に乗るまで夜遅くまで四苦八苦しながら格闘していたのが懐かしく感じられます。本研究では知覚に関わる新しい神経回路を発見しましたが、その過程で多くの先生方、そして研究室のメンバーには大変お世話になりました。この場をお借りして心より感謝申し上げます。(鈴木)

<略歴>
真仁田聡
2006年東京薬科大学生命科学研究科博士課程修了、博士(生命科学), 2006年ニューヨーク医科大学・生理学科(研究員), 2010年理化学研究所・脳科学総合研究センター・行動神経生理学研究チーム(研究員)を経て, 2015年より山梨大学医学部生理学講座第2教室(特任助教)。

鈴木崇之
2008年 東京薬科大学生命科学研究科博士課程修了、博士(生命科学)。ニューメキシコ大学博士研究員を経て、2010年より現職。

左:鈴木崇之、右:真仁田聡