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はま

濱い伊のりゆき行

河しんいちひろ徳
とう藤眞一

か廣

わいみなこ合美菜子

たあき田秋

ひこ彦

キーワード：光学的膜電位測定法, 大脳皮質, 興奮波, 体性感覚野!

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光学的膜電位測定法の脳への適用により, 大脳皮膚受容器で受容された感覚情報は主として視皮質における神経活動を多数の領域から同時に記床を経て大脳皮質体性感覚野の第#層に入力する｡

録することが可能となり, 大脳皮質の広範な領域

さらに第 "$%層, 次いで, 第&層および第'層における神経活動の時間的, 空間的な活動の連関に伝達され, 再度第#層に戻る閉回路を同一コラについて新しい知見が得られるようになった｡ そム内で構成している (図()%)｡ 皮質内における興の一端として, 感覚刺激によって大脳皮質の体性奮性細胞の大半は錐体細胞であり, 同一の層内で感覚野に生じた神経興奮は, ペンフィールドの小人として知られる体性感覚地図上の刺激部位に対応する一点のみに留まるのではなく, 水面を広がる波の様に大脳皮質の広範囲に伝播していくことが明らかとなった!)｡ 同様な現象は体性感覚野に生じた自発興奮についても見られている")｡
本稿では, 大脳皮質における神経興奮の伝播の機能的意義やそれを引き起こす神経機構を述べ,我々の研究室で明らかにした, 体性感覚野におけるこれらの興奮波同士の相互作用を紹介する｡

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島根大学医学部生理学講座神経・筋肉生理学
連絡先：〒5;%<=>1! 出雲市塩冶町=;<!

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視床から第#層の有刺星状細胞に入力し, これが同一コラム内の第 "$%層や第&層, 第'層の錐体細胞の基底樹状突起上に形成される興奮性シナプスを介して, 伝達され, 再度第#層に戻る｡ 同一層内の錐体細胞同士も互いに興奮性シナプスを介して接続し, 興奮が隣接するコラムへと水平方向に伝達される｡

, < **"B5678 9.":9 .; ,+*"<=>,&?@ABは錐体細胞同士が互いに興奮性のシナプス接続をは十分な明るさの励起光が届かない脳深部の神経しているため, 上述した垂直方向の伝達に加え,活動を記録することは出来ない｡ したがって,水平方向への情報伝達が見られる (図!)｡ 水平

我々が記録しているのは, 皮質第 ,-.層の錐体方向への伝播はそれぞれの層で独立に生じるので細胞, 特に樹状突起や細胞体で発生しているシナはなく, コラム内回路を介して各層で密接に連関プス後電位であると考えられる｡ 今回使用していしており"), 特に第#層が重要であるとされているような色素では活動電位も記録可能であるが,る$)｡ 自発興奮時の興奮波の伝播は体性感覚入力脳波と同様に, /01/12の大脳皮質では, てんかによって惹起されるものとは若干異なり, 第#層,んの大発作時等の一部の例外を除けば, 記録され第%層で自発的に生じた興奮がコラム内を垂直方る信号全体に対する活動電位の寄与は非常に小さ

向に伝播するのと同時に隣接するコラムへ水平方いと考えられる｡

向に伝播する&)｡
興奮波が広範に伝播する現象は, 体性感覚野固有のものではなく, 視覚野, 聴覚野など, 感覚野:";<=>?,@A.BCDE<@-FGEHIJ全般に見られる現象である',(,),*+) ｡ この現象にど

現在, 我々はラットの体性感覚野を研究のターのような機能的意義があるのかについての定説はゲットにしている｡ ラットにおける大脳皮質感覚まだない｡ しかし, 興奮波の伝播そのものが, な野や運動野の配置はヒトのそれとほぼ同様で, 体んらかの感覚を生じさせるのではなく, 興奮波が性感覚野の前方に運動野, 後方に視覚野, 外側後伝播したニューロンを脱分極させることで, 感覚方に聴覚野が配置し (図3), 体性感覚野にはペ入力に対する応答特性を変化させると考えられてンフィールドの小人で知られるような体性感覚地いる,)｡ したがって, 興奮波の伝播速度や持続時図が構成されている｡ ヒトの場合は顔面や手指が間は, 感覚情報処理機構に重要な役割を果たして広い領域を占めるが, ラットでは前肢や後肢に対いると考えられる｡

応する領域は狭く, ヒゲに対応する領域 (バレル!"#$%&'()*+,-.
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皮質とも呼ばれる領域) が体性感覚野で最大の領域を占める｡
右後肢に電気刺激を与えた時の左側体性感覚野

光学的膜電位測定法の詳細は参考文献**)に譲るにおける神経活動を記録すると, 記録領野全体にが, 細胞膜を膜電位感受性色素で染色することに興奮が生じていた (図4Ａ)｡ 刺激してから興奮より, 膜電位の変化を, 電極を用いることなく,するまでの潜時を比較すると, 体性感覚地図の後光学的に記録することを可能にする手法である｡

肢に対応する部位が最も早く興奮し, そこから離光学的に作製した拡大実像から記録することが可

れるに従い興奮するのが遅くなることがわかった

能であり, 各点の光強度の時間変化は膜電位の時(図4Ａ)｡ この潜時の差をもとに等時線図を作成間変化に相当する｡ この手法を脳に適用することすると, まず体性感覚地図上の後肢領域に対応すによりニューロン活動を点ではなく面として捉える部位に興奮が発生し, 周囲へと伝播していたこることが可能となる｡ 一方, 光学的膜電位測定法とが確認出来る (図4Ａ)｡ 前肢刺激でも, 最初

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左図は頭蓋骨とその直下にある脳の位置関係を模式的に示したもので, 右図は四角で囲んだ部位を拡大したものである｡ 図中の白半円は本稿内での記録領野を示す｡ 光学信号はフォトダイオードアレイを用いて, 記録領野を #6-μ: 四方の領域に分割して記録した｡!"#$%&'()*+,$-&'().+/0123456789:;<=>#
Ａ, Ｂともに, 左図は記録領野全体からの記録で, 図中○で囲んだ!つの領域ａ7ｂ7ｃのシグナルを中央に拡大表示した｡ ｃ下部の矢頭は刺激のタイミングを示す｡ 体性感覚地図の記録領野での位置を灰色で示す｡ ａは体性感覚野の前肢領域, ｃは後肢領域, ｂはその中間点に対応している｡ 光学シグナルはΔ898 (ΔＦ：蛍光強度の変化,Ｆ：背景光強度) で示した｡ 光学的膜電位測定法では, このΔ898が膜電位変化に比例することがわかっており, 上向きの振れは脱分極に対応する｡ 右図は, 各記録領域における潜時と, 最も早く興奮が見られた領域の潜時との差で作成した等時線図｡に興奮が発生する部分は異なるが, 同様に興奮波波が視覚野にまで到達することが知られており"#),が広範囲に伝播していた (図!Ｂ)｡ この興奮波

特定の感覚野内に留まるのではなく, 大脳皮質のがどこまで伝播していくのかについて, 我々はま広範囲に伝播すると考えられる｡

だ確認出来ていないが, 体性感覚野で生じた興奮自発興奮波も, 刺激誘発性興奮波と同様に, 微5 8 ));?

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Ａ〜Ｅの等時線図における各興奮波の起始部の位置 (それぞれ■, ★, ◆, ▼, ▲)は, Ｆの同じマークの位置に対応する｡ Ｆは自発興奮の起始部の分布を示す｡ 上記の#ヶ所に加え, 同じ個体から得られた, ここには等時線図を示していない自発興奮の起始部の位置を●で示した｡ Ａ, Ｂ, ＣとＤ, Ｅはそれぞれ興奮の起始部が隣接していたが, 興奮波の伝播パターンは大きく異なっていた｡

小領域で生じた興奮が周囲に伝播していた (図と, ここには前肢刺激に誘発された興奮波のみし!)｡ 自発興奮波の発生部位は限られた領域に局か認められなかった｡ この結果は, 後肢刺激に誘在することなく, 記録領野 (この例では体性感覚発された興奮波が前肢興奮波の起始部に到達して野) 全体に分布していた｡ 伝播パターンも, 刺激いなかったことを示す｡ "カ所から生じた興奮波

誘発性興奮波は毎回ほぼ同様の広がり方をしたのは衝突後, 消失し, 互いにそれ以上進行することに対し, 自発興奮波では起始部が近接していたもはなかった｡ すなわち, 興奮波は互いに排他的でのでもその広がり方は大きく異なっていた (図あり, ある領域に影響を与える興奮波はその領域!)｡に最初に到達した興奮波のみであることになる｡
次に, 後肢刺激と前肢刺激の刺激間隔 ($%$)!"#$%&'()*+,-./01

を, &', (', )'', &'', *''+,.と変える実験

先に, 興奮波が広がる様を, ｢水面を広がる波を行った (図#Ｂ/Ｆ)｡ $%$が &', ('+,.の時の様に｣ と表現した｡ はたしてその表現は正しいは前肢刺激による興奮波のみが観察され, 後肢刺だろうか｡ 興奮波が物理的な波と同等であれば,激による影響はみられなかった｡ $%$が )''+,.

異なる"点から同時に発生した興奮波は重ね合わ以上の時は後肢刺激による興奮がわずかにみられさるはずである｡ しかし, 前肢と後肢を同時に刺たが, その範囲は起始部周辺に留まっていた (図激し, "カ所から興奮波を発生させる実験を行い#Ｇ)｡ このように, 刺激誘発性興奮波は少し遅(図#Ａ), 前肢興奮波の起始部の記録をみてみる

れて起こる筈の刺激誘発性興奮波の発生やその伝

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図Ａ4
Ｆは図S中図と同様, 体性感覚野の前肢領域, 後肢領域とその中間点の記録を示す｡ 図下部の緑矢頭と赤矢頭はそれぞれ前肢刺激と後肢刺激のタイミングを表す｡
刺激間隔 (T=T) が &, H&!"#$の時は, 前肢領域に生じる興奮は単独刺激と差がみられず, 後肢刺激に誘発された興奮波が到達していないことがわかる (Ａ, Ｂ)｡ T=TがH&UQ&!"#$の時後肢領域にみられる応答は, 前肢刺激に誘発された興奮波によるもののみであり, この条件では後肢刺激に対する応答が発生していなかった｡ T=Tが %&&!"#$以上の時はU後肢刺激に対する応答がわずかにみられた (黒矢頭)｡ 図Ｇは T=TがH&&, >&&!"#$の時の記録で, 後肢刺激前 L&!"#$から %&!"#$毎に各矩形領域の神経興奮を低いものを寒色, 高いものを暖色で示した｡ 後肢刺激 ("59!) で誘発された興奮波の伝播領域が大きく減少していたことが読み取れる｡

播を時間依存的に抑制していることが明らかに

す る 細 胞 と し て 考 え ら れ て い る 2 層 の 3/14なった｡

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89.9:;(3<=) 細胞では持続的なバー

このような抑制現象は活動電位発生に伴う不応スト発火が生じることが報告されており%>), この期と類似している｡ 不応期は先行する活動電位にような細胞によって2層における興奮波の伝播がよって生じたナトリウムチャネルの不活性化やカ阻止されることが示唆される｡

リウムチャネルの活性化によって, わずかに遅れて生じる筈の活動電位の発生や大きさが抑制される現象である｡ しかしながら, 活動電位の不応期!"#$%&'()*+,-$.
%&'/01が数 !"#$で終わるのに対し, 興奮波の抑制は数自発興奮波は, ?節で述べたように, その起始%&&!"#$も続く現象で, 時間経過が大きく異なっ部, 伝播パターンがそれぞれ異なっており, 刺激ており, 両者を同様のメカニズムで説明すること誘発性興奮波と同様の手法で自発興奮波同士や自は困難である｡ 皮質内には形態的, 生化学的, 電発興奮波と刺激誘発性興奮波の衝突部位を推定す

気生理学的に多様な細胞が存在し, 錐体細胞をはることはほぼ不可能である｡ そのため, 先行するじめとする興奮性細胞に加え, 抑制性細胞も存在自発興奮波が刺激誘発性興奮波にどのような影響する｡ '()(作動性の抑制性細胞は錐体細胞とを与えるのかのみを解析した｡ その結果, 自発興の間で *##+,-$.や *##+*/0
1-0+回路を形成する

奮波も刺激誘発性興奮波と同様, 後発の興奮波のことが知られている｡ 特に *##+,-$.回路を構成発生や伝播を抑制していた｡ しかしながら, 刺激Y h !!9nabcd eS)fe Sg 8"!
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誘発性興奮波では興奮波消失から !
""#$%&後も伝播が抑制されているのに対し, 自発興奮波では'"#$%&でその影響が消失していた (図()｡自発興奮の機能的意義については, 議論の余地が残されている｡ 自発興奮波の発生やその伝播パターンはランダムではなく, 繰り返し同じ刺激を呈示すると, その刺激で生じた刺激誘発性興奮波と類似した自発興奮波が生じやすくなる!))｡ その結果, 繰り返し刺激による刺激誘発性興奮波に対する影響は, その刺激が呈示されていない状態でも, 自発興奮波の発生という形で繰り返し, 皮質内で惹起されることになる｡ さらに自発興奮波による刺激誘発性興奮波に対する効果は, 刺激誘発性興奮波によるものと同等であることから, 刺激が呈示されていない状態においても, 刺激誘発性興奮波の影響が持続することになると考えられる｡!

" #$大脳皮質において興奮が広範に伝播するという現象は, 光学的膜電位測定法の導入によって初めてその詳細の解析が可能となった｡ そのため, その振る舞いや機能的意味については不明な点が多い｡ 今後の研究の進展によって, これらが解明さ)*+,-./$0123456789./:5;678$<=3>?@
連続したo回の試行による記録を示す｡ 上は )"#$%&, 下は !
"#$%&間隔で表す｡ 図中の白四角は後肢に刺激を与えたタイミングを表す｡ 刺激前 '"#$%
&までに記録領野全体で自発興奮が終了していた時は, 刺激誘発性興奮波が記録領野全体に伝播していたが (p!, p8, p', pY),自発興奮がそれ以降も持続していた時は, 刺激誘発性興奮波の発生そのものがみられなかった(pS, p), p')｡れることで, 大脳皮質における感覚情報処理機構に新たな側面が付け加わることが期待される｡%&*) +,-./-0,123-4/-56123-7/
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