立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第26号) 2017

iPS 網膜における色覚機能再生過程の他覚的モニタリング法の開発に向けた基礎研究
Fundamental Research of Multifocal Electroretinogram in Carp toward the Objective Monitoringof the Retinal Color Function2151029

研究代表者

中京大学

共同研究者

理化学研究所 BSI・NIJC

人工知能高等研究所員

針本哲宏

特別顧問

臼井支朗

所

多局所網膜電位図 (mfERG, multifocal Electro-[研 究 の 目 的]retinogram) と呼ばれ [1]，他覚的かつ非侵襲に将来，iPS 細胞由来の網膜視細胞や網膜組織錐体機能を評価することができる。いずれも保の移植によって，組織の再生だけでなく視機能険適用のある検査で網膜剥離や網膜色素変性症に必要な固有の神経結合が正しく再構築され，など網膜の異常を発見するために用いられてき色変換などの色覚機能が正常に再生されるかはた (図 1)。

未知である。本研究は iPS 細胞移植による色覚

網膜の構造は視細胞直下の外網状層と神経節機能再生過程を検証するための視機能の他覚的細胞を出力とする内網状層から成り，色覚を有モニタリング法の実用化に向けて動物やヒトのする動物の網膜外網状層では赤，緑，青の 3 種

色覚機能を理解・解釈するための網膜電位図に関する基礎研究を実施した。こうした技術は医師の的確な診断など「人間と機械の調和の促進」に貢献するものと考える。
［網膜電位図と色情報変換機構］
網膜電位図 (ERG, Electroretinogram) は光照射により発生する網膜神経活動の集合電位であり，代表的な視機能評価法として基礎研究や臨床眼科で広く用いられてきた。ERG はコンタクトレンズ型の角膜電極を用いることでヒト網膜の機能障害を電気生理学的に調べ，波形から網膜の働きが正常かどうかを調べることができる。また，ランダムな 2 次元，明暗パターン刺激に対する局所的な ERG 応答から相関法を用いて計算される網膜光応答の空間分布は
― 1 ―

図1

多局所網膜電位図 (mfERG)

立石科学技術振興財団

図2

網膜視細胞−水平細胞による色情報変換機構

図3

コイ mfERG 計測システム

図4

コイ眼盃における mfERGの錐体視細胞と水平細胞の選択的結合 [2]によって三原色信号から反対色信号に変換されている。
ヒトは 3 色型色覚を有しており，このような色情報変換機構は脊椎動物の種を問わず共通した基本的かつ原理的な機構のひとつであり，コ
イ・キンギョも同様の色覚機能を有する (図2)。
我々はコイ・キンギョを用いた電気生理・薬理実験を行い，色順応や色変換に関する詳細な研究を網羅的に進めてきた [3][4]。しかしながら，こうした色情報変換機構とその機構を有する神経回路群の細胞外電位の総和である ERG との関係は未だ十分明らかにされていない。
[コイ眼盃 mfERG 計測システム］
コイ網膜から mfERG を計測するためには，高頻度明滅光刺激を網膜に照射しなければならない。本研究では DLP プロジェクタ (DELLM115HD) を用いて高頻度・明滅光刺激を実現 し (図 3)，mfERG の 計 測・解 析 シ ス テ ム(VERIS, EDI, USA) を用いて，コイ眼盃標本

図5mfERG を取得する計測・解析システムを構築した。

等サイズ刺激によるヒト mfERGた。また，コイとヒト網膜光応答分布を比較す

図 4 に上述の計測システムを用いて取得した

るため，等サイズピクセルの光刺激を用いてコイ眼盃標本における mfERG を示す。実験のヒト mfERG を記録した。図 5 に示すように

結果，コイの mfERG の応答分布は，背側や鼻mfERG は中心窩にピークを持っており，応答側，網膜中心部付近では応答がほとんど見られ部位に偏りがあったコイの mfERG 分布とは違ず，腹側から耳側にかけて大きな応答が見られいがあることを明らかにした。コイ科のゼブラ― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

フィッシュ網膜は腹側から耳側にかけて神経節のは，網膜視細胞−水平細胞による色情報変換細胞密度の高い領域があり，このような応答分機構 (カスケード・フィードバックが赤色から布はコイ mfERG とも一致した 。すなわち，フィードバックが始まることに起因するものとコイ網膜の腹側から耳側にかけての領域はヒト考えられる。一方ヒト多局所 ERG を図 7 に示の中心窩に相当すると考えられ，両眼前部上方す。ヒト mfERG は中心窩付近の青色の振幅がの水面に浮かぶバグなどの捕獲に適した構造に赤や緑に比べ小さい。これは青錐体は中心窩付なっていることが考えられる。

近では少ないというヒト網膜の知見と一致する。

[5]

立ち上がり時間についてはピクセル位置によって異なっていることから，ヒトの色変換機構は[コイ眼盃 mfERG の光応答特性］

複雑な構造を持っていることが予想される。
上述のとおり，コイ・キンギョの網膜外網状[今後の研究の方向，課題］層では赤，緑，青の 3 種の錐体視細胞 (Cones)と水平細胞 (HCs) の選択的結合 (カスケード・フィードバックによって三原色信号から反本研究ではコイ ERG の色光応答分布を実験対色信号に変換されている (図 2)。本研究で的に調べた。これまで一様であると考えられては，色光刺激によるコイ多局所 ERG を計測し，きたコイ網膜の光応答分布は部位に偏りがある

コイ網膜の色光時空間応答特性について調べた。

ことを明らかにした。また，赤錐体，青錐体の光刺激装置用 DLP プロジェクタの波長は(R)立ち上がり時間の違いや，錐体分布に沿った振621，(G)521，(B)451 nm であり，約 611，529，幅の違いなど，コイ網膜とヒト網膜ではその構462 nm にピーク波長を持つコイの各錐体を十造や機能に違いがあることを明らかにした。こ分に光刺激できる。赤/黒，緑/黒，青/黒の光のような空間分布の違いは，その部位で構築さ刺激パターンを用いて，各錐体のピーク波長でれている神経回路に影響し，色情報処理機構も光刺激したときの色光応答特性を記録した。図異なることが予想される。

6 に結果を示す [6]。色によって反応が見られる

近年，マウス・ラットに替わる新しいヒト疾部位が大きく変わることはなく，ERG の振幅

患モデル動物であるコイ科小型魚類のゼブラや立ち上がりに色差が見られた。ERG の振幅フィッシュを用いた研究が盛んである。ゼブラはほぼ視細胞密度に比例しており，この領域でフィッシュは，全ゲノム配列がヒトと 80% のは赤，緑に比べ青錐体の数が少ないと考えられ相同性があり，一生が短いため疾患モデルを容る。また，ERG の陰性波は視細胞由来，陽性易に作成できる。コイ・キンギョは網膜研究に波は 2 次ニューロン由来と考えられており，コ
イ多局所 ERG の赤色応答の立ち上がりが早い

図6

コイ多局所 ERG の RGB 色光応答

図7― 3 ―

色刺激によるヒト mfERG

立石科学技術振興財団

おいて代表的な実験対象であるが，遺伝子改変

for multi-site electroretinogram recordings in theなどの技術は確立されていないため，今後，ゼ

isolated carp retina”, Biosensors and Bioelectronics,
26, 2368-2375 (2011).

ブラフィッシュを用いた，より詳細な研究に発[4] S. Usui, N. L. Kamiji, T. Harimoto, “Spectral

展させることで，健常な網膜と疾患網膜との比Responses of Horizontal Cells Based on the Proton
Feedback Hypothesis”, ERM2013, 10, 63, Spain較研究などが展開できるものと考える。

(2013. 10).

［参考文献］[1]［成果の発表，論文等］

EE Sutter, “The brain response interface : communication

throughvisually-inducedelectricalbrain responses”, J. Microcomputer Applications,15, 1, 31-45(1992).
[2]

WK Stell et al., “Goldfish retina : functional polarization of cone horizontal cell dendrites and synapses”, Science, 190, 989-990, Science (1975).

[3]

T. Harimoto, S. Usui et al., “Enlarged gold-tipped

silicon microprobe arrays and signal compensation― 4 ―[5] T. Harimoto, N. L. Kamiji, S. Usui, “Evaluation ofRetinal Spatial Sensitivity in Cyprinid Fish”, The
Irago Conference, P84, Aichi, Japan (2015. 10).
[6] T.

Harimoto,S.

Usui,“MultifocalElectro-retinogram (mfERG) from the Eyecup Preparation in the Cyprinid Fish”, ERM2015, 144, Brighton,
U. K. (2015. 10).