研究最前線

私たちは、物が触れたという皮膚感覚を、どのように知覚しているのだろうか。脳科学総合研究センター（BSI）行動神経生理学研究チームの村山正宜チームリーダー（TL）は、さまざまな手法を用いて、1個の神経細胞レベル、局所回路レベル、より広域のネットワークレベルで、皮膚感覚を知覚するメカニズムを明らかにすることを目指してきた。
そして2015年5月、皮膚感覚を司る新しい回路を発見し、発表した。
脳が感じるメカニズムとは？ その謎解きを追う。

感じる脳を解く■ 触覚は、相互作用する唯一の知覚
2015 年 5 月、村山 TL を中心とする国知覚には、視覚、聴覚、嗅覚、味覚、中心に研究を進めていくことが多いので触覚がある。なぜ触覚に注目したのだろす。それに対して私たちは、電気的記録、際共同研究グループは「 感じる脳 のメうか。
「触覚は、とても面白いんですよ」

2 光子イメージング、光ファイバーイメー

カニズムを解明─皮膚感覚を司る神経と村山 TL。
「触覚は、五感の中で唯一、ジング、膜電位イメージング、光遺伝学回路の発見─」と題するプレスリリース

相手と相互作用します」。例えば、私たなど、さまざまな手法を用いています。

を行った。
「動物の行動は、どのようなちは花の匂いを感じるが、それによってこれほど多くの手法を取り入れている研神経活動によって形成されるのかを明ら花の匂いが変わることはない。一方、握究室は、世界的にも珍しいですね」

かにしたい。それが私たち行動神経生

手をすれば、相手の熱や圧が伝わる。

各手法の装置を構築し、それを扱う理学研究チームの大目標です。動物のそのとき、相手にもこちらの熱や圧が伝技術を身に付けるのは簡単なことではな

行動の多くは、外部の情報を感覚器でわる。触覚は、相互に物理的な影響をい。なぜ、そのような戦略を取るのだろ受け取り、それを脳で処理して行動を計与え合うのだ。
「さらに、ほかの感覚でうか。
「触覚のような主観的な体験に関画し、命令が筋肉に伝わって行動が実は刺激を受け取る部分が目、耳、鼻、舌する神経メカニズムを理解するには、神行される、という一連の流れで成り立っと限られていますが、触覚では全身の皮経細胞 1 個、局所回路、より広域のネッています。とても複雑なため、全部を相膚で刺激を受け取ります。触覚は、知覚トワーク、動物個体と、さまざまなレベ手にすることはできません。そこでまず、の中でも特殊なのです」

ルの活動を包括的に観察する必要があ

脳が外部の情報をどのように知覚するのかに焦点を当てて研究を進めてきまし■ 多様な手法を駆使し、なければつくるるからです」と村山 TL は答える。
ヒトの脳には全体で約1,000 億個の神た。そして、これまで知られていなかっ「私たちの研究チームも特殊です」と経細胞がある。神経細胞は、核がある細た皮膚感覚を司る神経回路を発見した

村山 TL は笑う。
「脳科学では、研究室ご胞体から 2 種類の突起が伸びている。いのです」と村山 TL は解説する。とに得意な研究手法があり、その手法をくつにも分岐した樹状突起と、長い軸索

右脳⬇

大M2神経細胞の活動

第二運動野（M2）
第一体性感覚野（S1）

S1

図 1 膜電位イメージングによる神経活動の可視化

02 R I KE N NE WS 2015 S ep t e m be r

⬇小神経細胞の活動に対応して蛍光強度が変化する
色素で大脳新皮質を染色し、マウスの後肢を刺激した後の神経活動を観察した。第一体性感覚野（S1）が活動し、次に第二運動野（M2）が活動した。この後、S1が再び活動する。

2mm

18ミリ秒

34ミリ秒

50ミリ秒

撮影：STUDIO CAC

村山正宜（むらやま・まさのり）

脳科学総合研究センター
行動神経生理学研究チームチームリーダー

1977年、宮城県生まれ。博士（生命科学）。東京薬科大学生命科学部卒業。同大学大学院生命科学研究科博士課程修了。2006年、スイス・ベルン大学生理学部博士研究員。2010年より現職。

である。樹状突起は情報を受け取る入力

報はほかの領域へと伝わっていく。分（図 2）。そのような反響回路はこれまで装置、軸索は情報を送り出す出力ケーブかっているのは、この程度の大まかな情知られていなかった。

ルに当たり、たくさんの神経細胞がつな報の流れだけだ。神経回路のどこで、どがって複雑なネットワークを形成し、情のタイミングで皮膚感覚を知覚するのか報を伝達し、処理している。一つの手法は、明らかになっていない。

■ 5 層神経細胞の持続的活動によって皮膚感覚を知覚

そこで村山 TL らは、マウスの後肢を「なぜ反響回路のような複雑な回路を村山 TL が多様な手法を取り入れるべ刺激したときの神経活動を観察することつくっているかに興味があります。複雑きだと考えるようになったのは、大学院から始めた。使用したのは、膜電位イな回路をつくることによって消費するエ生のときに読んだ記事がきっかけだ。

メージングである。神経細胞が活動するネルギーが増え、知覚までの時間も長く「BSI の初代センター長で、現在は特別と、細胞の内と外で電位差が生じる。膜なります。それでも反響回路をつくるか顧問の伊藤正男先生が、ある雑誌に若電位の変化に応じて蛍光強度が変化すらには、何か理由があるはずです」

手研究者へのメッセージを寄稿されている色素で神経細胞を染色しておくと、広そう考えた村山 TL は、反響回路に関ました。そこには、 何々屋にはなるな範囲の神経細胞の活動を蛍光強度の変わる神経活動をさらに詳しく調べていっとありました。この世界に入ってきたの化として記録することができる。

た。大脳新皮質は層構造になっていて、で見えるものには限りがあるのだ。

は、解き明かしたい現象があるからで、マウスの後肢を刺激すると、S1 が活各層は異なる役割を担っている。表面が一つの技術を極めるためではないだろ

動し、その後、第二運動野（M2）が活1 層、一番深い層が 6 層だ。膜電位イメー

う、と。そのとおりだと思い、2010 年に動した（図1）。
「S1とM2 を結ぶ神経回路

ジングは広範囲の神経活動を捉えること

BSI で研究チームを立ち上げるとき、あがあることは知られていましたが、機能ができるが、深さ方向は 1 層から 3 層まらゆる手法を取り入れ、必要ならば新し的にもつながっていることが、この実験でしか捉えることができない。村山 TL

い手法をつくり、知覚や行動のメカニズで初めて確かめられました。さらに驚いは、1 層から 6 層まで全層の神経活動をムを解明していこうと決めました」

たことに、M2 の後、再び S1 が活動した捉えるため、シリコン電極を使った。のです。その活動がどういう意味を持つ■ 第二運動野から第一体性感覚野へ戻る反響回路を発見

活動を抑制する薬剤を使い、S1 の 1回目

私たちは、物が触れたという皮膚感覚と2 回目の活動、そして M2 の活動の関を、どのように知覚しているのだろうか。

電極は神経細胞の活動に伴う電位変のか分かりませんでした。そこで、神経係を詳しく調べることにしました」「実は、皮膚感覚を知覚する神経回路とまず、神経活動を抑制する薬剤を S1

そのメカニズムは、よく分かっていないに投与した。すると、後肢を刺激してものです」と村山 TL は言う。

S1は活動せず、M2も活動しなかった。

皮膚にある感覚細胞が刺激を受け取次に、その薬剤を M2 に投与して後肢をると、電気信号が生じる。その電気信刺激すると、S1 の 1回目の活動は起きる

号は感覚神経を通って脳の中央に位置が、M2 の活動とS1 の 2 回目の活動は起する視床を経由して、大脳の表面を覆っきなかった。
「これらの結果は、後肢かている新皮質の第一体性感覚野（S1）とらの情報が S1 から M2 に伝わり、再びいう領域に達する。大脳新皮質は働きごS1に戻ってくる反響回路が存在することとに小さな領野に分かれていて、その情を示しています」と村山 TL は解説する

反響回路
反M2

第体
第一体性感覚野

S1

第二運動野
運動野

視床

刺激

後肢

図 2 第一体性感覚野と第二運動野の間の反響回路
後肢を刺激した情報は、視床を介して第一体性感覚野（S1）、そして第二運動野（M2）に伝わる。S1とM2 の間には反響回路があり、M2 は S1を再び活性化する。

R I K E N N E W S 2 0 1 5 S e p t e m b e r 03

研

究最前線化を捉えるために古くから使われている

1 個の神経細胞の複数の樹状突起に同た。また、M2 の活動を薬で抑制すると、手法だが、従来の電極では 1 本で 1 個の時に入力があると、樹状突起で大きな活S1の 5 層神経細胞の樹状突起スパイクと神経細胞の活動しか捉えられない。村動が発生する。それが樹状突起スパイ細胞体の持続的な活動も抑制された。

山 TL が使ったシリコン電極は、16 点のクである。樹状突起スパイクは、細胞体「S1 の 5 層神経細胞の長く伸びた樹状記録部位が一列に並んでいる。それをの持続的な活動を引き起こす。大脳新突起が反響回路からの入力を同時に受大脳新皮質の層に対して垂直に刺すこ皮質の S1の 5 層にある神経細胞の樹状け取ることで、樹状突起スパイクが発生とで、全層の神経活動を記録できる。

突起は、1 層から6 層まで長く伸びている。

し、細胞体の持続的な活動が引き起こさ

シリコン電極の記録から、M2 から S1

そのため反響回路からの入力を同時に受れます。このとき皮膚感覚が知覚されへ戻る反響回路の存在を支持する結果けやすく、樹状突起スパイクが起きている。私は、そう考えました。それが反響が得られた。S1での 2 回目の神経活動は、るのではないか、と考えたのだ。実際、回路モデルです」（図 3 下）5 層で特に活発であることも明らかに深部を高解像度で観察することができるなった。これらの結果から村山 TL が考

2 光子イメージングで樹状突起の活動をえたのは、「樹状突起スパイクが起きて調べると、5 層の神経細胞で樹状突起ス■ 反響回路は皮膚感覚の知覚に必須
村山 TL は今回の研究で、マウスを用いるのではないか」ということだった。

パイクが起きていることが確かめられいた行動実験も行った。
「神経細胞の活動から明らかになった反響回路の機能

高次領域

後肢刺激

視床樹状突起スパイク

内内因性
トップダウン
入力

細胞体の持続的活動

外因性
ボトムアップ入力

1層2層樹状突起
スパイク

4層
5層
6層

細胞体の持続的活動細胞体

皮膚感覚の知覚後肢刺激

視床

図 3 従来の連合入力モデルと新しい反響回路モデル
二つの異なる神経回路が、状況に応じて使い分けられている可能性がある。

04 R I KE N NE WS 2015 S ep t e m be r

を、個体レベルでも確かめる必要があると考えたのです。行動実験は初めてだったので、とても苦労しました」
箱の床の半分にザラザラの紙やすりを、半分にツルツルの紙を敷き、マウスの行動を観察した（図 4）。マウスは個体によってザラザラの床かツルツルの床かどちらかを好む傾向があるため、普通の状態のマウスは一方の床に長く滞在す

新しい反響回路モデル

3層反響回路皮膚情報を含む外因性ボト
ムアップ入力と、注意や予測や過去の経験などの内因性トップダウン入力によって、樹状突起スパイクが発生し、細胞体が持続的に活動する。その結果、皮膚感覚の知覚が生じる。

皮膚感覚の知覚

第一体性感覚野（S1）

第二運動野（M2）

従来の連合入力モデル

後肢刺激の情報は視床を経由して第一体性感覚野（S1）から第 二 運 動野（M2）へ伝わり、S1に戻ってくる。反響回路からの複数の同時入力によって樹状突起スパイクが発生し、細胞体が持続的に活動する。
注意などの内因性トップダウン入力がなくても、皮膚感覚の知覚が生じる。

る。次に、光遺伝学的手法によって、反響回路を特異的に抑制したマウスの行動を記録。光遺伝学とは、特定の神経細胞に光に応答するタンパク質を発現させておき、狙ったときに光を照射することで、その神経細胞の活動を抑制あるいは活性化できる手法である。光照射によって反響回路を特異的に抑制したマウスは、ザラザラの床とツルツルの床のどちらにも偏りなく滞在した。
「反響回路を抑制すると、マウスはザラザラの床とツルツルの床を識別できな関連情報

図 4 反響回路が皮膚感覚の知覚に与える影響

カメラ

マウスには、光を照射すると神経細胞の活動を抑制するタンパク質を発現させておく。箱の床にザラザラの紙やすりとツルツルの紙を敷いて行動を観察した。光照射をしないマウスは、どちらかの床に長く滞在する。光照射によって反響回路を抑制したマウスは、滞在時間の偏りがなくなった。

2015年5月22日プレスリリース
感じる脳 のメカニズムを解明

マウスの歩行の軌跡
光照射

自発性場所
選好テスト

ザラザラ

ツルツルなしザラザラ ツルツル

光照射ないですね」
士研究員時代に、生きたままのマウスでありツルツル

村山 TL は、スイス・ベルン大学の博樹状突起の活動を記録したいという思いから、光ファイバーと極小のプリズム状のレンズを組み合わせた光ファイバー

ザラザラ15cm

顕微鏡を開発したという実績がある。
「睡眠時間 2 時間の日が続き、血尿が出るほど苦労しましたが、樹状突起の活動をくなるのです。ほかにも数種類の行動実

デルでは、内因性トップダウン入力がな

初めて見ることができたときはうれし験を行い、反響回路を抑制しても知覚い、つまり注意していなければ何も感じかったですね。新しい技術をつくれば、以外の運動や予測などの脳機能は変化ないことになってしまう。その点が問題

誰も見たことがない新しいものが見えしないことを確認しました。それらの結になっていました」と村山 TL は指摘する。それも研究の醍醐味です」

果から、M2 から S1 へ戻る反響回路は、る。
「私たちが今回発見した反響回路は、プレスリリースのタイトルに 感じる

皮膚感覚の知覚に必須であることが明ら注意していないときでも皮膚感覚の知覚脳 という言葉を選んだのは、村山 TLかになりました」

が可能であることを示したものです」

だ。
「印象的な、いい言葉でしょう」と笑

では、連合入力モデルは誤っていた■ 注意していなければ何も感じない？

う。
「実は、M2 から S1に戻る反響回路のだろうか。村山 TL は、「そうではない」と同様のメカニズムが、触覚だけでなく実は、これまで皮膚感覚の知覚につと言う。
「注意しているときは連合入力ほかの感覚にも共通してあるのではない

いて、一つの神経回路モデルが提唱さモデル、注意していないときは反響回路かと考えています。私たちは、さまざまれていた。外因性ボトムアップ入力と内モデル、というように二つの神経回路がな感覚、まさに感じる脳のメカニズム解因性トップダウン入力の連合入力モデル使い分けられていると考えています」

明の糸口をつかんだのかもしれません。

だ（図 3 上）。皮膚の情報が S1、そして脳の高次領域に伝わる。これが、外因性そんな意味も含めています。また、この■ 僕の前に道はない、反響回路が学習とも関わっていることをボトムアップ入力だ。一方、高次領域か僕の後ろに道は出来る示唆する実験結果が出ていて、現在詳

ら低次領域には、注意や予測、過去の今後どのように研究を進めていく計画

しく調べているところです」

記憶などの情報が伝わる。これが、内だろうか。
「知覚のメカニズムを詳細に僕の前に道はない、僕の後ろに道は因性トップダウン入力だ。外因性ボトム理解するためには、どの神経細胞が活出来る──高村光太郎の詩の一節が好アップ入力と内因性トップダウン入力が性化するのか、さらに踏み込んで、どのきだという。
「動物の行動がどのような1 個の神経細胞の複数の樹状突起に同時樹状突起のどこに情報が入力され、ど神経活動によって形成されるのかを、知に入ると、樹状突起スパイクが発生し、のように活性化するのかまで調べたい」

覚から行動までひとつながりで理解した細胞体では持続的な活動が生じる。そと村山 TL は考えている。
「樹状突起のい。どうしたらそれができるのか、まだの結果、皮膚感覚を知覚する、というモ局所の活動を制御できる技術や、樹状分かりません。まさに、僕の前に道はなデルである。

突起のどこが活動しているかを記録できい。でもきっと、僕の後ろに道ができる。

「私たちはボーっとしているときも皮膚る技術が必要です。現在、そういう技そう信じて研究を進めていきます」

感覚を知覚します。しかし、連合入力モ術はありません。なければ、つくるしか（取材・執筆：鈴木志乃／フォトンクリエイト）

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