名古屋大学最終講義 2016年3月11日

脳の成り立ちとはたらき
Neural Func+ons based on Brain Structure

小田 洋一
名古屋大学大学院理学研究科

大阪大学 基礎工学部
生物工学科 4期生
中山穣治（第一三共社長）
難波啓一（阪大教授）

乾敏郎（京大教授）
私
塚原仲晃教授1972年

小谷正雄先生と大沢文夫先生

大沢文夫

寺本英

小谷正雄
伏見康治

１９７８年 国際生物物理学会（京都）塚原研究室 （1973）
板東武彦

森憲作
有働正夫

Sir John C. Eccles

松本修文

塚原仲晃

田中啓治

村上富士夫
小田洋一

シナプス可塑性
Synaptic plasticity
シナプス可塑性
•シナプス伝達の長期増強
Bliss and Lømo, 1973•

新しいシナプスの形成
Tsukahara et al., 1975
塚原 仲晃
（1933～1985）

Cable theory: Rall model
Cable equation (Rall, 1969)

シナプス電位の形状からシナプスの位置を推定

樹状突起細胞体x
シナプス電位振幅V(x, t)時間

シナプスの位置とシナプス電位の形状の関係

Estimate the synaptic
location from shape ofsynaptic potential

シナプス新生（発芽）Formation of new synapse after brain lesion
小脳核

大脳皮質
感覚運動野

脳損傷によるシナプス新生
小脳核を破壊すると，大脳皮質からからの入力が赤核ニューロンの細胞体近傍に形成される

赤核ニューロン（中脳）小脳核破壊

Tsukahara et al. 1975
Murakami et al., 1977a, b

前肢神経交叉接合後のシナプス新生
Formation of new synapse after cross innervation of forelimb nerves
前肢の屈筋と伸筋の支配神経を交叉接合すると，前肢を支配する赤核ニューロンに新しいシナプスができる
大脳皮質

赤核ニューロン
神経交叉接合前肢Tsukahara and Fujito 1976Tsukahara et al., 1982
Fujito et al., 1982

後肢シナプス新生（発芽）Formation of new synapse during learning?
１．小脳核破壊後のシナプス新生（脳損傷に伴う発芽）２．前肢神経の交叉接合後のシナプス新生（脳損傷を伴わない発芽）３．学習に伴うシナプス新生？

塚原 仲晃 先生
石の上にも三年怒られなくなったらしまい

複数のアプローチ
１９８５年８月

研究遍歴
1．歩行の小脳制御機構
２．シナプス可塑性（１）シナプス新生

赤核を介する古典的条件付け
Classical conditioning mediated by red nucleus
無条件刺激
条件刺激

赤核

赤核を介する古典的条件付け
Classical conditioning mediated red nucleus in cat
CS+US

US+CS

応答確率
Tatsuto Notsu

前肢屈曲応答閾値

J. Neurosci. 1: 72-79, 1981

古典的条件付けに伴うシナプスの新生（発芽）Formation of new synapses associated with classical conditioning

大脳皮質
無条件刺激
条件刺激
Minami Ito

赤核ニューロン
朝日新聞 2016年1月14日
J Neuroscience 2016 (Isa’s group)

Control

After conditioning

2mV

2ms

大脳皮質からの興奮性シナプス電位

Proc. Jap. Acad. 1979,1981
J. Neurosci. 1981（他４報）
J. Physiol.(Paris) 1988
Exp Brain Res 1994

谷口シンポジウム

小幡久

小田Spitzer Purves Woolsey
野山本

塚
原(高橋
國Lichtman

1982年

藤澤宮崎）

津本）

LeVay

高橋智(SanesLandmesser柳田スクール
片岡幹雄

藤戸裕

小田洋
一川人
光男柳田敏雄難波啓一

Lost my mentor at 34 years old

Nakaakira Tsukahara
Prof. of Osaka Univ.
& Rockefeller Univ.
（1933～1985）
Japan-air-line crash(Aug. 12, 1985)
出典（http://matome.naver.jp/odai/2140781974012046201）

岩波現代文庫で復刻

Eccles’ School
John C. Eccles
NakaakiraTsukahara
John C. Eccles(Nobel Prize,with Hodgkin and Huxley, 1963)

Henri Korn invited me toPasteur Ins+tute (1990)

HenriKorn

Ins+tut Pasteur (1990~1991)
Henri Korn
Jean-Pierre Changeux

Henri Korn

抑制性シナプスの可塑性
Plas+city of Inhibitory Synapse

抑制性シナプスの可塑性？？

+1990年以前
シナプス可塑性は興奮性シナプスでしか起こらないと信じられていた++興奮性シナプス

研究遍歴
1．歩行の小脳制御機構
２．シナプス可塑性（１）シナプス新生（２）抑制性シナプスの長期増強

Mauthner Cells

Hindbrain

Ludwig Mauthner(1840 - 1894)

Goldﬁsh

φ: >50 µm

マウスナー細胞の抑制性回路
聴神経抑制性介在ニューロン
有毛細胞

マウスナー細胞抑制性シナプスの可塑性を調べるために，純粋の抑制回路を対象とする運動ニューロン
胴筋

抑制性シナプス応答の長期増強
Long term potentiation of inhibitory response－＋
聴神経M細胞抑制性ニューロン

I = Gi ( Vm – Er )Er

長期増強に伴い,抑制性シナプス・コンダクタンス（Gi: 傾き）が増加

Proc. Natl. Acad. Sci. 1992

高頻度刺激前(500Hz)

抑制性シナプス応答の長期増強
Long term potentiation of inhibitory response＋－M細胞

聴神経 抑制性ニューロン(VIII神経）

反復高頻度刺激(200-500Hz)

抑制性シナプスが長期増強された
Poten+a+on at the inhibitory synapse
抑制性ニューロン

EHP

Volley（シナプス前部）＋－

抑制性シナプスコンダクタンス（シナプス後部）Oda et al.,J. Neurophysiol. 74: 1056-1074, 1995

抑制性シナプス入力(mV)Members of Korn lab
Antoine Triller

Richard Miles

Oda
Daniel Choquet

Henri Korn

1991年3月

抑制性シナプスの長期増強
Long term potentiation at inhibitory synapse
1本の抑制性ニューロン
軸索を刺激

聴神経－＋ 抑制性ニューロン

M細胞

Yusuke Murayama

M細胞
Chieko Suma

Cl-注入により脱分極になった抑制性シナプス電位

抑制性ニューロン

Stéphane Charpier長期増強の量子解析
Quantal analysis of LTP
Pk = NCk pk (1 –p)N–k

変化部位を推定（放出確率p,シナプス数Nの増加）

Oda, Charpier, Murayama, Suma, Korn
J. Neurophysiol. 74: 1056-1074, 1995

脳を構造単位（ニューロン）から理解する
１．ニューロン集団が情報表現の単位となる場合
Cell Assembly
Hebb (1949)
情報A

情報B

•

情報量が多く，S/N比が高い•

単一のニューロン活動と情報表現の関係を求めることは不可能

多くのニューロンが同時に働いていて，それぞれの活動の相関・状態が重要
しかし，多くの場合限られた数のニューロンの振る舞いしかとらえ得ない
そこで，少数のニューロンが決定的な役割を果たす学習行動を調べれば良い脳を構造単位（ニューロン）から理解する
２．単一ニューロンが決定的な役割を果たす場合
情報量が少なく，一般にS/N比が低いが，単一ニューロンの振る舞いとその機能を結びつけることができる（？）

キンギョの逃避運動

Principal circuits for ﬁsh escape
Mauthner (M) cells: paired giant re+culospinal neurons in hindbrain
Visuals+m.
TouchSoundTectum

A +ght link between the M-cell ﬁring and escapeSingle spike(1) A spiking of M-cellprecedes the escape

Mauthner cells(Zoholi, 1977; Eaton et al.,
1982, 1988)

Water ﬂow

(2) S+mula+on of M-cell
produces the ini+al
phase of escapeTrunkmuscle(Nissanov et al., 1990)

C-bendSpinalMotor neuron

研究遍歴
1．歩行の小脳制御機構
２．シナプス可塑性（１）シナプス新生（２）抑制性シナプスの長期増強（３）学習を担うシナプス可塑性

音刺激による長期増強
Sound stimulus induced LTP
聴神経抑制性介在ニューロン

有毛細胞

音刺激

マウスナー細胞

軸索運動ニューロン

胴筋

音刺激で誘導された抑制性長期増強
Sound stimulus induced inhibitory LTP in auditory pathway

聴覚回路の抑制
Auditory pathways
テスト刺激側

反対側

軸索回路の抑制Feedback pathway

興奮性入力

Oda et al. Nature 1998

逃避運動の長期抑圧

逃避運動の長期抑圧Long term desensitization of escape behavior
マウスナー細胞の抑制性シナプスの長期増強に対応して，逃避運動が長期間抑圧される

Oda et al. Nature 394:182-185, 1998

シナプス伝達の長期増強と学習の関係
A link between synap+c poten+a+on and behavioral learning

活動電位

１９９５年（大阪大学実験室）

Korn小田松井川嵜森田大阪大学の研究メンバー

2005年3月

名古屋大学の最初の研究室メンバー
高木 新平田普三

2005年4月

Zeraﬁsh escape behavior

5 dpf

Acous+cally evoked fast escape of larval zebraﬁsh

Sensory
percep+on

Processing in the CNS(x1/9)

Motoroutput

Mauther cells in zebraﬁshMidbrain

Re+culospinal neurons in hindbrain and midbrain

1mm

Injec+on

Hindbrain

Mauthner cells

27 types
100 neurons(one side)

研究遍歴
1．歩行の小脳制御機構
２．シナプス可塑性（１）シナプス新生（２）抑制性シナプスの長期増強（３）学習を担うシナプス可塑性
３．運動中のニューロン活動：多重回路

Calcium imaging of hindbrain neurons
in behaving ﬁsh
Tsunehiko Kohashi
Tahahashi et al.
J. Neurosci. 2002

Confocal microscope(Neuronal activity)

Kohashi and Oda
J. Neurosci. 2008

High-speed camera(Escape behavior)

Simultaneous monitoringof segmental homologs
Hi-speedfocus
mover“Segmental homologs”
Lateraldendrite

M-cellr4
Ventraldendrite

r5

r6
MiD3cm

Hindbrain
Segment

Rostral

MiD2cm

20 μm

MidlineSimultaneous monitoring of escape and M-cell ac+vity
Oregon green
BAPTA-1

Ipsi. M-cellagarSound/Waterpulse

M-cell4 frames / sec

Confocalmicroscopy
High-speedcamera(x1/60speed)M-escape vs. Non-M-escapeM-cellM-escape

Non-M-escape

Water pulse
Trunk muscle

Tail ﬂex.

Subthreshold: only EPSPs

ΔF/F (%)

Single spike

Time arer s+m.(sec)Time arer s+m.(sec)
Kohashi and Oda
J. Neurosci. 28:10641-53, 2008

M-escape vs. Non-M-escape
Tail ﬂexion angle

Non-M-escapeΘ (degree)

M-escape

Time arer s+m. (ms)

Auditory inputs are necessary for Mauthner escapeIntactTac+leM-escape

Auditory

Water pulse% escape

OV

Non-M-escape

Lateral line

Escape onset latencymsO+c Vesicle (inner ear)

OV lesioned

Kohashi and Oda J. Neurosci. 2008

msEscape circuits built in hindbrain segments

Sound

Mauthner Escape

Non-Mauthner Escape“Minimum latency”“Delayed”

Escape!!

出典（hhp://www.preparednesspro.com/the-bahle-of-mice-and-men）

研究遍歴
1．歩行の小脳制御機構
２．シナプス可塑性（１）シナプス新生（２）抑制性シナプスの長期増強（３）学習を担うシナプス可塑性
３．運動中のニューロン活動：多重回路
４．発達：新しい脳機能の獲得（１）運動の発達（２）感覚の獲得

Development of escape behavior
100 hpf (4dpf)

50 hpf (2dpf)
Touch%
Touchs+m.

Sound

X1/60 speed

3 dpf

4 dpf

Sounds+m.

Hours post-fertliza+on (hpf)
Loud speaker

Kohashi et al., J. Neuroscience 2012

Development of Escape Networks
60-70hpf (2dpf)>80hpf (3dpf)
M-escape
to sound

Non-M-escapeto touch/sound“Minimum latency”“Delayed”

M-escape
to touch
Trigeminalnerve

M cellHindbrain

M cellSpinal Cord

Non-M

“Switch”

ofM-cell inputs

Statoacous+cnerve

Non-M

Motorneuron
TrunkMuscleKohashi, Nakata, Oda J. Neurosci. 2012

聴覚は発達段階でどのように獲得されるか？
Masashi Tanimoto

有毛細胞
内耳振動

脳Maya Inoue

電気信号
鼓膜（１） 高い感度
出典（hhp://www.nature.com/nrg/journal/v5/n7/
ﬁg_tab/nrg1377_F1.html）

Yukiko Ota<1Å = 0.1 nm（２） 速い変換

10 µsecゼブラフィッシュの耳（耳石器官）
耳胞（内耳の原器）

成魚

球形嚢(S)
卵形嚢(U)

半規管 角速度
100µm

耳石

受精後５日

耳石(炭酸カルシウム)

卵形嚢(U)
直線加速度
ラゲナ

球形嚢(S)

有毛細胞

音
耳石器官
聴神経+K+ K

機械受容チャネル

In Vivo Whole-Cell Recording
胚（27時間齢）
1 mm

稚魚（47時間齢）

1 mm

98 時間齢GFPを発現するマウスナー細胞

うきぶくろ

1 mm

マウスナー細胞の聴覚応答の発達
Development of M-cell auditory response
受精後 39 時間

音受容聴覚獲得

≥46 hpf≥46 hpf

46 時間
62 時間

マウスナー細胞
有毛細胞

VIII神経<27 hpf
90 時間

VIII神経有毛細胞
音刺激 (500Hz, 98dB SPL)

Tanimoto et al., J. Neurosci. 2009

有毛細胞が音に応じるようになるには？
１．機械受容チャネルの発現
TRPN1
Sidi et al., Science, 2003 (zebrafish)
Shin et al., PNAS, 2005 (Xenopus)

耳石

TMC1/2
Kawashima et al., J Clin. Invest. 2011
Pan et al., Neuron 2013 (mouse)

Kinocilium
Stereocilia

TRPN1 (NompC) ≥48 hpf

TMC1/2 ?

≥23hpfTanimoto et al.
J Neurosci. (2011)

有毛細胞が音に応じるようになるには？
２．耳石の増大
有毛細胞の音受容は，耳石との動きのずれによる

耳石

有毛細胞

≥46 時間大きな耳石（慣性大）音受容音に対する感度は耳石の重さで決まるか？
卵形嚢(バランス)

球形嚢
(音)

U 耳石

S 耳石

<体積

1:

2.5F
α ＝m
加速度

力5日齢SU質量

耳石の大きさが有毛細胞の音感度を決める
Otolith size contributes to the hair cell responsiveness to soundControl (5dpf)

S otolith removed

U+S otolith on U

Microphonic poten+als
0.1 mV
2 ms

本来音受容しないUの有毛細胞が音に応答

Sound (500 Hz)

Inoue et al., Scien.ﬁc Reports 2013

研究遍歴
1．歩行の小脳制御機構
２．シナプス可塑性（１）シナプス新生（２）抑制性シナプスの長期増強（３）学習を担うシナプス可塑性
３．運動中のニューロン活動：多重回路
４．発達：新しい脳機能の獲得（１）運動の発達（２）感覚の獲得
５．脳の基本構造に基づいた神経回路

相同なニューロンが隣接する分節に繰り返される
Re+culospinal (RS)Neurons

RostralLateral dendrite

M-cellr4AxonMauthner cells
MiD2cm
MiD3cm

Hindbrain

Ventraldendrite

MiD2cmr5r6

MiD3cmMorphologically and developmentally homologous
neurons are repeated in the adjacent segments in thehindbrain (Metcalfe et al., 1986)

分節間相同ニューロンへの聴覚入力
midbrain

Auditory inputs to segmentally homologous neurons
r4
M細胞

r5

r1

hindbrain

r2r3

Mauthner (M-) cell
r4

r6

r5
r6

r7
400µm

Hisako Nakayama
J Neuroscience 2004

聴神経

相同ニューロンが異なる興奮性を示す
Diﬀerent excitability between homologous neurons
M-cell膜チャネル－M-cell

反回性抑制

MiD2cm
MiD3cm

MiD3cmr4r5r6

反回性抑制

Nakayama and Oda
J Neuroscience 2004

“開始”

“強さ”

Zebraﬁsh expressing GFP in Mauthner cells
５dpf Tol056

Retrogradely labeled
re+culospinal neurons

GFP

r1r2
r3
r4
r5
r6
r7

M細胞

100 µmMauthner cells
1 dpf

２dpf

３dpf

４dpf

20µm

M-cell acquires single-spiking property during early development

1 mm

Takaki Watanabe

No response

4days

2days

Fertilize

Escape from soundTakashi ShimazakiM-cell

MiD2/3cm

Mul+pleM-cellSingle

MiD2/3cm

Watanabe et al, J. Neurophysiol. 2014

Takako Suzuki

Aoba Mishiro2つの低閾値型カリウムチャネルがM細胞の単発発火に必要
Low threshold K+channels are required for single-spiking of Mauthner cell

DTX
Kv1

XE991
Kv7

MiD2/3cm

M-cell @ 4日齢≅Single spiking

Mul+ple spiking

M-cell @ 2日齢Cellular and network development
for auditory response
2 dpf: escape from touch
Touch:
Trigeminal n.

Mauthner cell

5 dpf: escape from sound & touch
Touch:
Trigeminal n.

Kv1.1+β Kv7.4

Low Kv>46hpfSound:Hair cellsNav• Sound onset

HighKv

MiD2/3cm• Sound intensity• Tac+le s+mulus

J. Neuroscience (2008, 2009, 2012, 2014), Scien.ﬁc Reports (2013), J. Neurophysiology (2014)

複数のニューロンから同時記録をして結合を調べる
Paired intracellular recordings from RSNs
Paired intracellular recordings from hindbrain re+culospinal neurons
Horizontal view

Frontal view
MiV1

M-cellNeurobio+n200μm

M-cell後脳MiD2cm
MiD2cmMiV2

MiD3cmMiV3

MiD3cm刺激電極

キンギョ（成魚）
脊髄M細胞から分節間相同ニューロンへの回路結合：機能的モチーフ
Func+onal mo+fs composed of segmentally homologous neurons
背側ニューロン群へ

腹側ニューロン群へ

左右非対称

左右対称

M-cellMiM1Dr4

MiV1

MiD2cm
MiD2ir5

MiV2

MiD3cm
MiD3ir6

MiV3J. Neuroscience 2014

Haruko Matsui

Hisako Nakayama

Takashi Fujii

Daisuke Neki

逃避運動を制御するM細胞からRSニューロンへの入力
Synap+c inputs to RSNs from M-cell during C-start

0102030stage1
M-cellPropulsion
swimming

同側 MiD
例外 MiD2cm

C-shaped
Body bend

反対側MiD40

stage1stage270 ms
excitatory
inhibitory

spike+

0 10 +20 30 40 50 60 70 80

ms+

両側 MiV2Bi. MiV1,35060
stage2200 ms+
stage10 10 20 30 40stage250 60

70 80 ms

研究遍歴
1．歩行の小脳制御機構
２．シナプス可塑性（１）シナプス新生（２）抑制性シナプスの長期増強（３）学習を担うシナプス可塑性
３．運動中のニューロン活動：多重回路
４．発達：新しい脳機能の獲得（１）運動の発達（２）感覚の獲得
５．脳の基本構造に基づいた神経回路
６．左右性行動の神経基盤

鱗食シクリッドの左右性行動
Lateralized Behavior in a Lake Tanganyika Scale-Ea+ng Cichlid Fish

撮影者 太田和孝

Yuichi Takeuchi

鱗食性シクリッド
Scale-ea+ng Cichlid
食べた鱗の左右差
被食魚
左体側

右体側

右利き

076

左利き

139

0Hori Science 1993

左利き

右利き

開口の左右差襲撃方向の左右差

左利き
下顎骨の左右差

右利きJohn Alcock,Animal behavior : an evolu+onary approach,pp218
Sunderland,Mass.:sinauer Associeates ,2013

Preda+on behavior of P. microlepisA clear bias toward striking on one side
Ra\o of a]ack direc\on161921

Strong preference for speciﬁc side:
Lery mostly ahacked from the ler side, while righty from the right sideSequence of preda+on behavior① Approaching dash
② Stealthy swimming③ S-shaped posture④ Fast body ﬂexion(ahack)⑤ Twis+ng

every 48ms
Takeuchi et al. PLoS ONE 2012

左右性行動の発達
Development of lateralized behavior
シクリッドの胃から採取した側線鱗

左体側由来

右体側由来

Takeuchi et al.
PLoS ONE 2016左右性行動の神経基盤・分子基盤

Scale-ea+ng

EscapeYuichi Takeuchi
P. microlepisの繁殖に成功（協力：アクアとと）
脳内発現遺伝子の左右差解析（遺伝研との共同研究）

鱗食における屈曲制御回路（仮定）Thank you for your a>en?on

Ankri Nobel
Asakawa Kazuhide
Bando TakehikoBannai Hiroko
Charpier Stéphane
Changeux Jean-Pierre
Faber Donald
Fujii Takashi
Fujisawa Hajime
Fujito Yutaka
Higashi Shuji
Higashijima Shin-ichi
Hirata Hiromi
Hori Michio
Inoue Maya
Ito Minami
Izumi Yujichiro
Katsumaru Hironobu
Kawakami Koichi
Kawasaki Keisuke
Kawato Mitsuo
Kimura Yukiko
Kishida Hideyuki
Kohashi Tsunehiko
Korn Henri

Kuwa Kazuhiro
Matsui Haruko
Matsumoto Kunihiro
Matsukawa Kanji
Miki Mariko
Miles Richard
Mishiro Aoba
Miyasaka Shinji
Morita Masahiro
Murakami Fujio
Murata Takashi
Murayama Yoshinobu
Murayama Yusuke
Nakamura Makoto
Nakano Yuri
Nakata Natsuyo
Nakayama Hisako
Narushima Madoka
Neki Daisuke
Notsu Tatsuto
Nukazuka Akira
Ota Yukiko
Sakuragi Shigeo
Satou Chie
Suma Chieko

Shimazaki Takashi
Shimono KenSong Wen-Jie
Suzuki Takako
Takagi Shin
Takahashi Masashi
Takahashi Megumi
Takeuchi Yuichi
Tanaka Keiji
Tanimoto Masashi
Triller Antoine
Tsukahara Nakaakira
Tsukuda Eiichi
Udo Masao
Wanibuchi Fumikazu
Watanabe Takaki
Yamanaka Iori
Yamamoto Nobuhiko
All the members ofTsukahara lab, Murakami
lab, Yamamoto lab, Oda lab
and Nagoya Univ.
Div. Biological Science
ありがとうございました