【神経科学トピックス】
運動学習を通して現れる視床から運動野へのシグナルの解明

東京大学大学院医学系研究科
特任助教 田中康代
助教   田中康裕

運動学習において視床から運動野へ時間変化の異なる2種類の入力を見出しました。これらの入力は「運動課題の成功率」と「運動の安定性」にそれぞれ関連することが明らかとなり、このようなシグナルが現れるためには大脳基底核、小脳のどちらの活動も必要であることがわかりました。

 私たちは日常的に、繰り返しの訓練によって効率のよい運動スキルが習得されることを経験しています。運動学習中には脳の様々な領域で変化が起きているので、領域間の情報のやり取りを調べることが非常に重要です。
 運動系において重要な役割を果たす大脳基底核や小脳からのシグナルは、視床を介して運動野などに送られます。そこで本研究では、視床から運動野へのシグナルを調べることが、運動学習のメカニズム解明につながると考えました。レバーを一定時間引けば報酬として水がもらえるという運動課題をマウスに学習させると、訓練を重ねるごとに上手にレバーを引けるようになります。1次運動野に投射する視床軸索に蛍光カルシウムセンサータンパク質を発現させ、前シナプス構造である視床軸索ブトンのシグナルを2光子顕微鏡により捉えることで、課題中にどのようなシグナルが視床から1次運動野へ送られているのかを調べました。
 大脳皮質は6層構造をなしており各層で細胞の種類や入出力様式が異なります。1層にはほとんど細胞がなく、視床や他の皮質領域からの軸索が集まり、2―5層の細胞は1層まで樹状突起を伸ばし他の脳領域からのシグナルを受け取ります。また、視床の軸索は3層にも入力します。観察の結果、学習の後期で視床から1次運動野へのシグナルの特徴がはっきりとみられました(図参照)。1層に入力する軸索ブトンのシグナルはレバー引き運動の開始時と終了時に強くなり、3層に入力する軸索ブトンのシグナルはレバー引きの開始時のみに強くなることがわかりました。さらに、レバー引き時の軸索ブトンのシグナルは、集団として順序良く活動し続け、その持続時間は3層よりも1層で長いことが示されました。次に、これらのシグナルと行動との関係を調べると、1層に入力する軸索ブトンのシグナルが強いほど、レバーの速度や軌道が安定になっていること、及び、3層に入力する軸索ブトンのシグナルが強いほど、レバー引き成功率が上がっていることが明らかになりました。さらに、大脳基底核や小脳を損傷した状態での神経活動測定を行うと、視床皮質軸索の顕著なシグナルは全て消失しました。このことから学習を通した視床皮質軸索のシグナル形成には大脳基底核と小脳の活動の両方が必要であることが明らかになりました。
 本研究により見出された2種類の情報が運動野でどのように統合されるのかは今後の大きな課題です。本研究成果は、運動失調・運動障害疾患の病態理解に将来的に貢献することが期待されます。

Thalamocortical Axonal Activity in Motor Cortex Exhibits Layer-Specific Dynamics during Motor Learning. Yasuyo H Tanaka*, Yasuhiro R Tanaka* (*equal contribution), Masashi Kondo, Shin-Ichiro Terada, Yasuo Kawaguchi and Masanori Matsuzaki. (2018) Neuron 100(1):244–258.

<図の説明>
学習が進むと視床から大脳皮質運動野にレバー引きのタイミングに関係したシグナルが送られるようになる。それらのシグナルは大脳皮質への入力する層によって特徴が異なり、「運動課題の成功率」あるいは「運動の安定性」とそれぞれ関連することがわかった。またそれらのシグナルは大脳基底核と小脳の活動に強く影響を受けることも明らかになった。

<研究者の声>
この研究は松崎政紀先生と基礎生物学研究所で取りかかり、完成までに6年以上かかりました。子育てとの両立は大変でしたが、夫婦交代で家事をこなし、夜な夜な子供たちが寝静まってから二人で論文を作り続けた日々も、今となっては良い思い出です。また、大学院生時代からお世話になり、尊敬する川口泰雄先生と論文を仕上げられたことは光栄の至りです。最後に、本研究は京都大学名誉教授金子武嗣先生らの形態学による先行研究があったからこそ生まれた研究であり、先生の長年の研究が持つ先見性と重要性に畏敬の念を感じずにいられません。この場をお借りして、大学院時代に受けた厳しくも暖かい研究指導への感謝の意を表させていただきます。

<略歴>
田中 康代
2012年 京都大学大学院医学研究科にて博士号取得,同年より基礎生物学研究所 博士研究員、2016年より東京大学大学院医学系研究科 博士研究員を経て、2017年より同研究科 特任助教
田中 康裕
2012年 京都大学大学院医学研究科にて博士号取得,同年より基礎生物学研究所 博士研究員を経て、2016年より東京大学大学院医学系研究科 助教