計測自動制御学会東北支部 第231回研究集会（2006．10．31）
資料番号 231・20
内喚野における短期記憶機能のモデリング

Modeilngoftheshort−termmemOryfunctioninentorhinalcortex
O名久井里美☆，木村郁子☆，北嶋龍雄☆
SatomiNakui＊，IkukoKimura＊，TatsuoKitajima☆
☆山形大学☆％magataUniversity
キーワード：嗅内野第II層皮質（entorhinalcortexlayerII），錐体細胞（pyramidalce11s），星型細胞（stellatecells），遅延見本合わせ課題（delayedmatchingtask），Ca2＋依存性陽イオン電流（calcium−SenSitivenonspecificcationcurrent）

連絡先：〒992−8510 山形県米沢市城南4甘16山形大学工学部 応用生命システム工学科
E・mail：kitajima＠yz．yamagata・u．aC．jp

1．はじめに記憶は大きく長期記敵短斯記敵こ分粒れる。長期記憶は宣言供託憶や宇宿き的記憶等のように長期にわたって記憶が持続され、また記陰塾こはほぼ制限がなかった。十方、短期記憶は十数秒でその洲％が忘去障れ、また7主2で代表されるように「度に記憶できる敷こ制限があるが、短斯記憶は新ノい情朝を一日静勺に保持し、長期記憶への観こ関わっていると考えられている。短期間の記蘭ま神経細胞が活動を続ナることによって触れ¶、る。

合わせ課題が害されるのは内境野第Ⅲ層に障害が生じたときであると馳Ilebr（1細らは述べ¶、ることから、短期記陰に内嗅野第Ⅲ層が関与していることが示趣れる。内顛筍Ⅱ層は情報が海馬に至燵するための経路であり、境内野第Ⅱ層が害されると一博鞭が海馬の中に入っ¶、かず、記除できなくなるという仕組みである。またここでは、サンプル期間とは遅延見本あわせ課題中に最初に見本として1つの物体を見せた期間のことであり、遅れ期間とはその後視界を遮る期間のことであり、マッチ期間とは次に提示され物体を以前に提示された物体と同じか違うのかを半し断する期

数秒の試行乃間にのみ必轟ヒする短駈）記憶を必要とする例は、選現本台わせ課甑こおいて示される。
遅延見本合わせ課敵は、動物に見本として1つの物体を見せ、その後数秒間スクリーンを下ろして見えなくし、次に提示した物体を以前に提示された物体と同じか違うかを動物に判寒椿せる課題である。この遅延見本間のことであるとする。
近年、RⅦ1紀Il（2（X吻らは遅延見本合わせ課題における神観潮知）メカニズムを角弔目するために内奥野第Ⅲ層のネットワークシミュレーションを行い、C㌔ト依存闇陽イオン偏流（hM）が内奥野細胞の招高炉）基礎となることを示した。具体的に述べると、h朋が遅れ期間中のス／Vク摘醐の周劃となることと、サンプル期間と凋乳／てマッチ期間中のスパイク箔動の増大につながることが示され¶＼る。しかし彼らの棉乱／たモデルでは、愉こ入ってきた複軌乃帝腰伊プコをすべて受け取る興奮陸錐体雛蛙が存在し／ている。本研究では、この細胞の存在の現実性がないと考えるので計算機シミュレーションにより、1つの刺激入力に対してはそれを受け取る1つの興奮性錐体綽蛙隆持つようなモデルを攫軋／、その提案モデルによって内嗅野第Ⅱ層細胞におけるニューロンモデルの特性を明らかにする。

2．モデル化
2．1．内喚野第Ⅱ層細胞の特性
亜1細らは、ラット月齢）スライス男訊こより明らかになった内奥野第Ⅱ層細胞n膜特性を示している。
これによると、内奥野第Ⅱ層細胞は膜特性こ応じて錐体和郎出塁型細胞の2つのグループに分類され¶、る。
錐輌棚訟星型細胞の膜障性の適ノ、は次の3点である。
1つ目は、過分極性電流の振幅変化による膜壷位な答にある。鮒柿間包では大きな過〜）極性電流を力［えてもバース胤ま起きないのに対し、星型細包ではバースト発火をもたらす。これにより、過姻こより活性化するチャネルが星型細包に存在することが判明する。

2．2．内喚野第Ⅱ層のネットワークモデル
本研究で用いるネットワークモデルを鞄1に示す。

ネットワークモデルは膜特性現象、により内奥野第Ⅱ層への入力を表している2種類の刺激入力（s血nA，血B）と、内嗅野第Ⅱ層に存在する興奮酬珊勉
星型孫珊包（Sbか、さらに抑制性悩師宣hdとで楠戎する。また興奮性錐体細畦は、特定の1つの入力しか受ナ取らない細抱（払，P由を2つ用いた｝興奮性匪㈲甜包と抑剛性介在細胞は自分自身を除いた全ての細胞に出力し、星型細胞は抑削踊用包にのみ出力する。興奮性錐体細胞辺聖蛸田胞のシナプ
ス後部膜状にはAMPA受容体およびNMDA受容体が存在する。また、興奮酬珊包にはGABA抑制性受容体、抑剛性悩棚卸）細胞困こはAm受容体が存在するものとする。「方、興奮樹林棚包および抑剛性介在細胞の発火（借財酌はNがチャネ／〟Kト

チャネル活性こよる唖n−H鴎型ダイナミクスによって生成される。これ以外こも、C㌔トの濃度に依存するチャネルを細胞こ舶み込む。
そのダイナミクスをApI℃nd玩に示れ
肌鞘 ：刺激入力
一l：興奮性結合㌫絞三：抑制性結合

2つ目は、脱分極胤過分極性電流注入による膜電描こある。錐僻棚包では低振幅の脱分極性電流と過分極性竃流を加えると立ら上がり時間が長く膜電位はゆっくり上昇するが、星型細包では立ち下がり時間が短′、。これにより、ゆっくり酒性化するチャネルが錐㈲珊包こ存在することが半し関する。
3つ目は、後過淵頃AHP）の特性こある。錐㈲珊包と星型細抱とで外部掛勝偏流注入により生じたスパイクの後のA【｛Pの振敵上レ、ミると、錐体細胞でより塁謝田胞でのAHPの振幅が大きい〔」これにより、過獅釦）方向に働くチャネルコンダクタンスは、錐僻棚包より星型細目知）方が／」せいことが判明する。

f海．1：内願筍2層のネットワークモデ′レ

3．シミュレーション結果

0．0）場合遅れ期間中の持続粒極ま勤おれない晦
如から分かる。遅れ期間の脱分極乃欠如は、サンプルネットワーク内に貯蔵すべき外部情報パターンとして興奮性錐体細胞へ与える入力は幅仙1日∝、大きさ

期間よりも増したス′Vク情動が生じない周到となる。
以上のことより、hMの惰性は持禍癌姓サンプル三狙〃j止m2のアルファ関数載稚二する。

期間よりも増したスパイク情動の生成こ必要であること
遅延見Z極）わせ課題の試行をネットワークモデルで示す￣ため2稽喚か刺激入力を計2回与えるが、1回目のが分う巧。このことは胞l紀nも示していな

刺激入力から2回目の刺激入力までの遅れ期間をrmA′〔m21（サンプル期間）（マッチ期間）

弧IISとする。

3．1．Ca2＋依存性陽イオン電流（INCM）の役割
鮎nは内噺こおけるC酔依存闇陽イオン電流（kM）の重要性を説いていることから、ある程度の「m＼／1「■ll振P彩）INqMのチャネルコンダクタンスをコントローノ項直（＝10とする）として、その値を変化させたときの膜電t■一二さlヽ

位・電流応答を検証する。鞄2（刃に示すように、2種く〕・．

類の刺激入力のうち−−一方のみ計2回の入力を与えるも−＝≧く）（JO−10qく）ノくゝUO亡｝

鞄200：興奮性錐体細胞の膜窃逝財ヒ「¶1く1のとする。
チャネルコンダクタンスがコントローノ日直乃h加が来1∩￣7「＼バ「∠1

与えられたとき、サンプル期間の刺激入力による細胞の発火はスノVクを誘発するのに十分なkMの活性をもたらすことが刑g．2（D）から分かなしかし、kMの（つ分）は遅れ期間楓／ていて、そのことがサンプル（J＝≧00（J4000＜ゝ（Jく）O

Rg．2（0：細胞内C㌔偏頗変化

梧惚こよる闇値下の脱頒鞄2（功の○で囲んだ部［ms］

ト，A／〔n121（）．（）5期間よりも増したスパイク措蹴爪g．2（功の拡梱の原（）因となる。
大きい振幅チャネルコンダクタンス＝4．功のhMが与えられたとき、刺激入力はサンプル期間の発火をもたらし、これにより膜雛依存性虹a釦チャネルを通してCa2璃ミ細抱内に流入し、bIが活性†蛭れ、このbIがサンプル期間の刺敦入力終了後のスパイク情動を引き起こすことがR旨3（C）から分かる。後に来るスパイクは他乃スパイクを誘発するのに十分な脱分極を引き起こし、次の刺激入力が来るまで遅れ期間中ずっとスパイク活動は続く。さらに、マッチ期間の帝l厳入力がサンプル期間の刺激入力と同じ場合、細甘包ますでにh別の活惚こより脱楓／¶、るのでスぺイク精勤は増す。
一方blが与えられない（チャネルコンダクタンス＝

−0．05

−0．1

20（）0400（｝

ng．2（功：細胞内C♂憾疲変化
ng．2INロⅥのチャネルコンダクタンスがコントローソ㈲とき蠣位・電流応答［ms］

「m＼／13．2．提案モデルによる各細胞の膜電位応答
境案モデルでは、入力を受けた細抱は発火し、入力を受けなかった細悔ま発火しない応答が見られれば遅延見本わわせ課題の成功であると考える。

鞄3仏）：興奮性鰍膜郵）変化「．、、ヾ1

鞄5に遅延見本あわせ課題試行中のネットワー＊10▲7【M］ク内での各細目知）月舞酢択讃を示す。このうち、2種類の刺激入力がサンプル期間串l腰虻マッチ期間刺靭で同じ場合の膜酎讃を鞄5（刃に乱／、サンプル期間帝儲とマッチ期間帝l頗が異なる場合の膜離応答
0＝乙00く二｝0＜ゝ（）0く｝

40くJく二｝Fig．錮：細庖勾G鉾濃疫変化「‖A／〔m2「を鞄5（B）に示先
帝し頗入力がサンプル期間刺激（魂m刃とマッチ期l∩、、1

間雨l厳（s血1刃で同激血IAからの入力はそのく：）＿（：＞5

入力を受けた興奮牌棉珊包（Pカを活性化させ、その（二｝悟性化は星型細包（Std）と抑制性錐体細胞（hOを活−0＿く二〉5性化させる。マッチ期間のs血nAからの入力も同じよう−1⊂｝−l酌g．3の：kMの変化「nr。1に入力を受けた興奮憧鞄閣棚包（Pカを惰性化させ、その惰性化は星型蛛田胞（亡弛劫と抑制牌輸棚包（Ⅰ血）f海．3：IN□Ⅵのチャネルコンダクタンスが大きいときの瞬霞位・電流応答を活性化させる。ここで注目すべき点は、入力を受ナた興酎埼肺細包（Ⅰりにおいてサンプル期間のス／Vク情動よりもマッチ期間のスパイク活動が増大していることである。この原因は、3．1節で述べたC㌔依存性陽イオン電流（kM）の働きによるものだと考えられる。
利敵入力がサンプル期間刺激（s血1裁とマッチ期く）＝≧く｝く二＞（j−1・（：）くっ＝（）亡＞（」＝⊂）く｝「nlく1

恥（心：興奮憶断棉珊卸）膜電位変化

間申し撤（s血nB）で異なる場餉）、サンプル舜l頗はその入力を受けた興奮酬排包（PA）を活性化させ、その活性化は星型細包（Std）と抑制陸錐体細胞（Ⅰ血）を活性†［させる。しかし、マッチ帝l騰が与えられてもどの細月韻）スパイク精勤を示さなかった。
以上より、マッチ期間刺激がサンプル期間帝腰吐同（二l＝乙（二l（J（二｝ng．4（功：細抱内GP濃度変化

40（j（二IG（〕（）‖亡｝「nlく1

f海．4：IN□Ⅶが存在しないときの瞭霞位・電流応答

じ場合っまり遅延見Z陸）わせ課題中の最初に提示された対勝と遅れ期間後に触れた刺激が同じ場合、最初に提示きれた刺隙を受けた細胞のみが発火することでその刺隙をマッチ期間に偶乳／¶＼る。また、マッチ期間刺激がサンプル期間前激異なる場合っまり遅延
見本あわせ課題中の最初に提示された葬儀虻遅れ期間後に提示された帝l騰が違う場合、マッチ期間にはネットワーク内のどの細目包もスパイク情動を示さないことで、最初に提示された葬儀虻異なる刺激には細目勧ミ汎ないことが分ろ巧。
「mA／〔m2「「mA／rmコ1（サンプル期間）［ms］（マッチ期間）刺激入力（stimA）

刺激入力（stimA）

刺激入力（stimB）

PAの膜電位応答「∩、∵1

PAの膜電位応答
PBの膜電位応答

Stelの膜電位応答l

岬−− ＿＿

PBの膜電位応答＿＿＿−

Intの膜電位応答
Stelの膜電位応答f隠5仏）：サンプル期間刺激とマッチ期間刺激が同じ場合の膜抑答

Intの膜電位応答Rg．5（B）：サンプ′t御願とマッチ期間師勝が異なる場合の膜抑答Appendix

4．あとがき本研究では、Ca2＋依存性陽イオン電流（INCM）

興奮性錐体細胞の膜電位ダイナミクスの役割隊説明したRan紀nらの内嗅野第Ⅱ層ネッ
トワークモデルを拡張することにより、遅延見本あ賦払兢晶c読もわせ課題試行中のネ喋醐今後は、
拙速齢nら（狐）が示した星型轟棚包に存在する過分星型細胞の膜電位ダイナミクス

極により括†勤旧する陽イオン電流（b）がネットワークにおける振動嘆象に関与しているということを検証し、星濃■瑞諏訪H読試a試c訪仏・S−型細胞の振動がどのように記憶の基藤となるのかを解

析ノたい。

抑制性錐体細胞の膜電位ダイナミクス
q警＝蝿a−ん−ん一差yn・ht

参考文献
1）ErikFhnEeb，AngelAAlm，andMidl肥1E．
Ha蹴lm0：Simuladons ofthe Role ofthe

M血血虹va鹿dC血m・簸血極点c C血1Cm血 Ⅱ寸Ⅲ h

EntodhnalNeumnalAc叫duringIklayed
M血ing取立s．TheJoundofNeⅦⅧCien

各イオン電流はHodgkin・Huxley方程式に従うものとする。

豊＝（㌔x（l−mxト‰・椚x） ヽⅥ）L頭凱1081−1097，2002．

カ PeI鳩tiU DM，MDonoughJrJH：EEbcts of
dhblmergicdrugSOndehyedmath−tD−SanPle
performanαCGrhesusmOnkeys．mrmad
B奴血∋mBdlaVⅥ九19，鮎㌻−！姫7，1983．

＝（αh、…卜孔x・カx）
皿Ⅹ：Ⅹの活性化変数

血：Ⅹの不活性化変数3）AlonfX） A Khlk R： Di飽rentialel∝b℃代印0血杷把鑓 Of sblbb adα：イオンチャネルの活性化要素の速度定数

pyramidal−1ike alls of medial enβ：イオンチャネルの不活性化要素の速度定数∝灯bxl野er Ⅲ，JNeuIⅥ）by由d．Ⅶ70，
12各−−143，1993．

4）D血n CT MagiBtmttiJ，Shalin卸MH，
FrmE，HasselmoM伽A：h℃perdes

ナトリウム電酎N。＝gNa・mNa3・hNa（V−ENa）

andmleofhinthepadngcdsubthmdold
血11王血ons h e血血d ∝血Ⅹ byer Ⅱ
neumns．JNeulてpby血九Ⅵ九83，256む−2579，2（伽．

カリウム電流JK＝gK・椚K4（「−EK）

カルシウム電流Ic。＝gca・mc。2（V−Eca）
ゆっくり活性化する膜電位依存性K＋電流JKM＝gKM・椚KM（r−EKM）
過分極により活性化する陽イオン電流J‖＝g‖・∽‖（㌢−EIl）

Ca2＋依存性陽イオン電流INCM＝gNCM・mNChW−ENCJ

リーク電流JL＝gL（F−EL）

刺激電流Ji。。＝gh。・α（t）

α（t）＝exp（−ニ）TT

細胞内Ca2・濃度

些塑 ＝ヰ・ち。−k・揮］
dt

k：立下がりに関係する時定数

興奮性シナプス電流

Js湘l＝J刷肌DlりNMDAD．
IAMPA．Dl＝gAMPADl（sAMPA，。l＋sAMPA．。2）（TLl−E＾MP＾）
JNMDA＿q＝Mgq（V）・gNMDA，q（sNM。A．q＋sNM。Aq）（fLl−ENM。＾）
Mg （r）

1）

1＋0・018exp（−60r．））】

抑制性シナプス電流

IGABA，P．＝gGABA．n・SGABA．，．（埠．−EGABA）