博士（理学）難波寿明
学位論文題名Functional Role of Nonspiking Local Interneurones
Underlying Descending lVIodulation of the Crayfish
Avoidance Reaction（ ザ リ ガ ニ回 避 行 動 修 飾 時にお ける ノンスパ イキ ング 介在 神経 の機 能に関する研究）

学位論文内容の要旨
動物 があ る特 定の 感覚 刺激に 対し示す行動・応答パターンは常に同じとは限らず、その とき の他 の感 覚条 件や 、動物 自身の活動状態や姿勢によって著しく変化することは脊椎 ・無 脊椎 動物 を間 わず 広く一 般にみられる現象である。甲殻類や昆虫類とぃった節足動物は、定型的行動をよく示し、その神経系が比較的単純なことから、動物行動の発現・
修 飾の 神経 機構 を細 胞レ ベルで 解析する際の優れた研究対象となる。これらの動物の神経 系は 、各 体節 ごと に数 百から 数千の神経細胞が集合した神経節が連結したはしご状構
造 を示 す。 各神 経節 では 局在性 介在神経を中心とした局所回路網を形成し、それぞれの体 節由 来の 付属 肢な どの 反射様 の運動パターンを作り出し、各神経節間を結ぶ上行性・下 行性 介在 神経 が局 所回 路網を 制御し、ある行動発現時の体節間の協調性を生み出すと同時に様々な行動修飾に関与するものと考えられている。
ある 特定 の感 覚刺 激に 対し 、節 足動物は局所性反射様の運動パターンをよく示す。たとえばァメリカザリガニ(Procamb．ar彌cJa樹Girard）は、休息状態にあるとき、尾部への接触刺 激に たぃ し、 最終 付属 肢の 尾扇肢を閉じながら前進する回避行動を示す。この時の尾扇 肢が 閉じ る運 動パ ター ンは 、最終腹部神経節内の局所回路網によって制御されており、 各神 経要 素の 役割 ・接 続パ 夕一ンについては詳細に解析されている。特に、腹部最終神 経節 に固 有の ノン スパ イキ ング介在神経がもっとも主要な前運動性要素として、この局 所回 路に 組み 込ま れ、 活動 電位を全く発生せずに、シナプス活動により、尾扇肢運動神 経の 活動 をア ナロ グ的 に制 御している。ノンスパイキング介在神経は、その細胞体の 位 置 と基 本的 形態 の違い から 大き くPL型と AL型 に分 類で き、 反対 側か らの 感覚入
カ に よ っ て 尾 扇 肢 に 正 反 対 な 動 き を 引 き 起 こ す 並 列 ・ 相 反 回 路 を形 成 し て い る 。
この 回避 行動 発現 時の 尾扇 肢運動は、基本的に腹部最終神経節内の局所回路網によって引き 起こ され るの であ るが 、上位中枢からの抑制性修飾を受ける。っまり、ザリガニが遊泳 中・ 威嚇 姿勢 時の よう に腹部を強く伸展させている状態では、同じ感覚刺激が与えられ ても 、尾 扇肢 運動 神経 には顕著な応答パターンが生じない。腹部伸展は下行性介

在神 経によって 引き起こ され、こ の下行性 入カが感 覚刺激に 対する局所 性反射様の尾扇
肢 運動 パ タ ーン 形成の 局所回路 網、特に2夕 イプのノ ンスパイ キング介 在神経の 活動性を修 飾するもの と考えら れる。本 研究は、 ザリガニ の腹部伸 展活動を実 験的に引き起こすこ とで、上位 中枢から の下行性 入カが局 所回路神 経の活動 性をどのよ うに制御している か、 電 気 生理 学・解 剖学的手 法を用いて 解析し、 2夕イプの ノンスパ イキング 介在神経が 形成してい る並列・ 相反経路 が回避行 動修飾に どのよう な機能的役 割を果たしているか 、解明した ものであ る。
実験方法と しては単 離した神 経標本を 用い、腹 部縦連合 の神経束に 含まれる腹部伸展誘起下行性 介在神経 を局所的 に電気刺 激するこ とで腹部 伸展活動を 実験的に引き起こした。この伸 展活動中 のノンス パイキン グ介在神 経の応答 を、尾扇肢 感覚刺激を与えたときの応答と 比較する ことで、 並列・相 反経路の 活動バラ ンスがどの ように変化するか解析し た （第 1章 ）。ま た、尾扇 肢運動の下 行性調節 経路を詳 細に解析 するため 、下行性介在 神 経の 最 終神経 節内での 接続を解剖 学的に推 定し（第 2章）、生 理学的に 確かめた（第3章）。
釜 上 童： 同 側 の感 覚 刺激 に 対 する 応 答を 解析し 、反対側 と同様の 結果を得 た。さらに、腹部 伸展活動 中の局所 回路内の 神経要素 の応答を 解析し、尾 扇肢からの感覚入カと比較した 。下行性 介在神経 刺激によ り腹部伸 展活動が 現れたとき には、機械感覚刺激を与えたと きとは逆 の開くパ ターンが 尾扇肢運 動神経に 発生し、こ の時に感覚刺激を与えても尾扇 肢を閉じ る方向へ の活動パ ターンは 発現しな い。上行性 あるいは局在性スパイキング介 在神経と ノンスパ イキング 介在神経 について 腹部伸展活 動中の下行性入カを解析したと ころ上行 性または 局在性ス パイキン グ介在神 経は顕著な 下行性入カをほとんど受けてい なかった 。一方、 ノンスパ イキング 介在神経 は、その多 くが下行性入カを受けており、 並列・相 反経路の 各要素に ついて感 覚入カと 下行性入カ を比較したところ、入カの符号 の向きは 逆であっ た。こう して、尾 扇肢運動 発現のため の尾扇肢からの感覚入カは、最 終神経節 内のノン スパイキ ング介在 神経で下 行性入カと 打ち消しあぃ、尾扇肢運動パタ ーンが消 失するこ とが示唆 された。
童盈 童 ： 下行 性 介在 神 経 の最 終 神 経節 への 投射形態 と尾扇肢 運動神経 への出力 効果
か ら 、7種類 の 下行性介 在神経を分 類した。 解剖学的 解析によ り、これ らの下行 性介在神経 はニュー ロパイル の背側部 に投射し ているこ とが明らか になった 。この領域には運動神 経とノン スパイキ ング介在 神経の樹 上突起も 投射してお り、下行 性介在神経と運動神経 、ノンス パイキン グ介在神 経の突起 の空間的 なオーパー ラップが 確認され、下行性介在 神経と尾 扇肢運動 神経、ノ ンスパイ キング介 在神経との 単シナプ ス性接続が解剖学的に 可能であ ることが 示唆され た。一方 、感覚神 経の神経節 内投射は 腹側部に限られており 、下行性 入カが直 接感覚神 経をシナ プス前的 に抑制して いる可能 性を否定できた。
麓 量 童 ：下 行 性 介在 神 経と 尾 扇 肢運 動 神経 ・ノン スパイキ ング介在 神経のシ ナプス
接 続 を 生 理 学 的 に 解 析し た 。下 行 性 介在 神 経刺 激 に より 興 奮 性の 応 答を 示 す 尾扇 肢opener運動神 経は、単 一の下行 性介在神 経の活動 電位の発 火に対して 、常に一定の短い中枢内 潜時で応 答し、下行性介在神経と単シナプス接続していた。一方、closer
運動神経は比較 的ばらつ いた遅い 潜時で抑 制性応答 し、その 抑制は下行 性介在神 経よめ単シナプ

スの脱分極 性入カを 受けるノ ンスパイ キング介 在神経に よって引き 起こされていることが明らかに なった。また、脱分極性の入カを受けるノンスパイキング介在神経は、opener
運動神経に も同様に 出カをも った。こ うしてノ ンスパイ キング介在 神経は直接下行性入カ を う け 、 伸 展 中 の 尾 扇 肢 運 動 神 経 の 活 動 を 制 御 して い る こと が 判明 し た。
以上の結 果は、腹 部伸展時 の下行性 入カによ る回避行 動の修飾、 特に尾扇肢開閉運動の制御が ノンスパ イキング 介在神経 のレベル で起こる ことを示し ている。ノンスパイキ
ング介在 神のみが 、末梢か らの局所 感覚入力 ・上位中 枢からの下 行性入カを同時に受け取り 、 2つ の タイプ のノンス パイキング 介在神経 によって 形成され る並列・ 相反経路 の活性化バ ランスが 変化した ことで、 回避行動 の発現が 抑制性修飾 を受けたわけである。
このノン スパイキ ング介在 神経が形 成する並 列・相反 的な神経経 路によって、外部環境の変化・ 動物の内 的活動状 態に即し た適切な 尾扇肢運 動パターン が形成されており、この並列・ 相反的な 神経経路 が行動パ ターンの 柔軟性・ 階層性の神 経基盤を考える上でのーつのモ デルとな ることを 強く示唆 した。

学 位 論 文 審 査の 要旨

主査教
授高畑雅一
副査教
授浦野明央
副査助教授鈴木教世
副査助教授長山俊樹
学 位 論 文 題 名Functional Role of Nonspiking Local Interneurones
Underlying ‑Descending lVIodulation of the Crayfish
Avoidance Reaction（ ザ リ ガニ 回 避行 動 修 飾時 に おけ る ノンス パイ キン グ介在神 経の機能 に関する 研究）

近 年、ヒト など高 等脊椎動 物を含む 動物の 脳機能に 関する 研究が盛んに行われている。
し かし、そ の多くは 、特定 の行動、 特定の 感覚とぃ った個 別的機能およぴその学習や記憶機 構の解明 を目的と してい る。広く 自然界 で見られ る多く の動物が示す種特異的な定型行動 が、動物 の行動状 態や内 的状態に よって どのよう な実時 間的影響を受けるかという行動
修 飾 の 動的 神 経 機構 の 解 明は未開 拓の分 野で、今 後の発 展が待た れている 状況に ある。
本 論文は、 このよ うな状況 にある動 物行動 の修飾機 構につ いて、アメリカザリガニPrひcam岶r螂 da
脚 Gむ 貧dの 回 避行動を 実験系 として用 いて生 理学的、 解剖学 的にその シナプ
ス 機序を解 明するこ とを目 的として 行われ た一連の 研究結 果をまとめたものである。ザリガ ニは、休 息時の尾 部への 接触刺激 に対し 、最終付 属肢の 尾扇肢を閉じながら前進する回避 行 動 を示 す 。 しか し 、 遊泳中・ 威嚇姿 勢時のよ うに腹 部を強く 伸展させ ている 状態では 、同じ感 覚刺激が 与えら れても、 尾扇肢 運動神経 には顕 著な応答パターンが生じなぃ。
尾 扇肢の筋 肉を支配 する運 動神経は 、最終 腹部神経 節内の 局所回路によって制御されており 、各神経 要素の役 割・接 続パター ンにつ いては詳 細に解 明されている。特に、活動電位を 発生せず に情報伝 達を行 うノンス パイキ ング介在 神経（ NSI）が 最も主要 な前運 動性要素 として、 この局所 回路に 組み込ま れ、そ のシナプ ス活動 により、尾扇肢運動神経の活動を 直接的に 制御して いる。 NSIは、 同一の 感覚入カ によっ て尾扇肢 に正反対 な動き を引き起 こす並列 ・相反回 路を形 成する。 本論文 は、この 局所回 路の下行性制御様式を、螢光色素 を充填し たガラス 管微小 電極を用 いた電 気生理学 ・解剖 学的手法 により解 析し、 NSIが形 成 す る並 列 ・ 相反 経 路 が回避行 動修飾 に決定的 な役割 を果たす ことを明 らかに した。
実 験には単 離神経 標本を用 い、腹部 縦連合 の神経束 に含ま れる腹部伸展誘起下行性介在神 経を局所 的に電気 刺激す ることで 腹部伸 展活動を 実験的 に引き起こした。並列・相反経路 の各要素 について 、伸展 活動中の 下行性 入カに対 するシ ナプス活動を、尾扇肢感覚刺激を 与えたと きの活動 と比較 しながら 解析し た結果、 下行性 入カと感覚入カとの間で、符号の 向きが逆 であるこ とが判 明した。 この結 果より、 尾扇肢 運動発現のための尾扇肢からの感 覚入カは 、最終神 経節内 のN
SIで 下行性 入カと打 ち消し あうこと によって 、尾扇 肢運動
パ ターンが 消失する ことが 示された 。
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下行性介在神経は、その最終神経節への投射形態と尾扇肢運動神経への出力効果から、7種類に分類された。解剖学的解析により、これらの下行性介在神経はニューロパイルの背側部に投射していることが明らかになった。この領域には運動神経とNSIの樹上突起も投射しており、下行性介在神経と運動神経、NSIの突起の空間的なオーバーラップが確認され、下行性介在神経と尾扇肢運動神経、NSIとの単シナプス性接続が解剖学的に可能であることが示唆された。一方、感覚神経の神経節内投射は腹側部に限られており、本論文により、下行性入カが直接感覚神経をシナプス前的に抑制している可能性は否定された。
下行性介在神経と尾扇肢運動神経． NS
Iのシナプス接続を生理学的に解析した結果、下行性介在神経刺激により興奮性の応答を示す尾扇肢開筋運動神経は、下行性介在神経と単シナプス接続するのに対し、閉筋運動神経の抑制は、下行性介在神経と単シナプス的に接続するNSIを介して引き起こされると結諭された。脱分極性の入カを受けるN
SIは、開筋運動神経にも同様の出カを示した。すなわち、NSIは直接下行性入カをうけ、伸展中の尾扇肢運動神経の活動を制御していることを明らかにした。
以上の結果より、本論文は、腹部伸展時の下行性入カによる回避行動の修飾、特に尾扇肢開閉運動の制御がNSIのレベルで起こることを実験的にはじめて証明した。NSIのみが、末梢からの局所感覚入力・上位中枢からの下行性入カを同時に受け取り、NSIが形成する並列・相反経路の活性化バランスが変化することで、回避行動の発現が抑制性修飾を受けるものと結論される。
これを要するに、著者は、外部環境の変化・動物の内的活動状態に即した行動発現の修飾機構について、NSIが形成する並列・相反的な神経経路に基づくという新知見を得たものであり、動物行動の神経機構の解明を目指す神経行動学研究の発展に貢献するところ大なるものがある。
よって著者は、北海道大学博士（理学）の学位を授与される資格あるものと認める。

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