J Neurosci. Methods 311: 147-155 (2019) doi: 10.1016/j.jneumeth.2018.10.023.
 

【要点】
(1) 解剖学的な神経ネットワーク研究への応用と様々な分子遺伝学的ツールとの組み合わせによる脳機能マッピングへの発展が見込まれる。
(2) パーキンソン病をはじめとする、難治性神経変性疾患に対する新たな遺伝子治療へのアプローチが期待される。
 

【研究概要】
　神経回路における情報の処理と行動機能の関係を明らかにするためには、その回路を構成するニューロンや神経路がどのような制御を受けて特定の入出力関係における神経機能をコントロールしているかを知る必要があります。我々のグループはこれまで、独自に開発した融合糖タンパク質を用いてレンチウイルスベクターをシュードタイプ化することにより、高頻度な逆行性遺伝子導入するベクター技術を開発してきました（Kato et al, J. Neuosci. 2011; Hum. Gene Ther. 2011a,b; J. Nuerosci. Methods 2014）。
　今回の研究では、融合糖タンパク質E型 (FuG-E) の特定部位に様々なアミノ酸の点変異を導入し、マウス脳内における遺伝子導入効率を解析しました。FuG-Eの440番目のアミノ酸をプロリンからグルタミン酸に置換した変異体FuG-E (P440E)が従来のベクターよりもより高い遺伝子導入効率を示すことを発見しました。この改良型ベクターは、マーモセットの脳内においても従来型ベクターに比較してより高い遺伝子導入性能を示しました。今後、解剖学的な神経ネットワーク研究への応用や分子遺伝学との組み合わせによる脳機能マッピングへの発展が望まれるだけでなく、難治性神経変性疾患に対する新たな遺伝子治療法へのアプローチとしても期待されます。

Cell Rep. 22: 2370-2382 (2018) doi: 10.1016/j.celrep.2018.02.016.
 

【要点】
(1) 視床髄板内核を構成する外側中心核から線条体への神経伝達の働きは、学習や経験に基づく選択行動とその切り替えの柔軟性をコントロールする。
(2) 外側中心核と束傍核から線条体へ入力する経路は、学習プロセスにおいて時期特異的な役割を担い、学習過程で髄板内核を含む複数の皮質―基底核ループ回路が遷移していることを示唆する。
(3) 髄板内核は、パーキンソン病等の脳神経疾患で変性することが知られており、疾患の発症や病態機序の解明および治療薬の開発に結び付くものと期待される。
 

【研究概要】
 自然界において、動物は状況に応じて適切な行動を選択し、様々な環境の変化に対して迅速に行動を切り替えなければいけません。これらの行動は、多くの脳領域を結び付ける複雑な神経ネットワークが相互作用することによって発現すると考えられていますが、その仕組みは十分にわかっていません。視床の髄板内核は、これまで主に痛覚を媒介し、感覚機能の制御に関わると考えられていましたが、その役割はよく理解されていませんでした。一方で、この神経細胞は、運動の制御や認知機能に関わる線条体に投射していることから、我々の研究グループは、視床髄板内核はこのような高次な脳機能に関わるかもしれないという仮説を検証するため、特定の神経回路の機能を操作する技術を利用して、視床から線条体へ連絡する神経回路の機能を解析することに取り組みました。
 以前の研究で、髄板内核の束傍核（parafascicular nucleus/PF）から線条体へ投射する神経路を除去するアプローチを用いて、PFは視覚弁別学習の獲得と実行に重要な役割を持つことを見出しました(Kato et al, J. Neurosci. 2011)。本研究では、異なる髄板内核である外側中心核(central lateral nucleus/CL)の機能を明らかにするために、特定経路を除去するアプローチとその神経路の機能を化学遺伝学により抑制する技術を応用して、CLから線条体へ入力する神経路が刺激弁別行動を実行する際に重要な役割を果たすこと、また刺激やルールの変更に伴って行動を切り替える際の柔軟性を促進することを発見しました(Kato et al, Cell Rep. 2018)。これらの2つの研究から、PFとCL線条体路は、刺激弁別学習のプロセスにおいて異なる時期に必須なことが示され、学習の過程で皮質基底核ループ回路が切り替わることが知られていることから、回路の遷移は視床髄板内核も含めた皮質基底核を連関する複数のネットワークで大規模に起きていることが示唆されました。
 今回注目した視床髄板内核は、これまで主に痛覚を媒介し、感覚機能の制御に関わると考えられていましたが、本研究は、この神経核が線条体を介して認知機能に関わるという新たな知見を提供しました。これは、将来、神経変性に関わる疾患の病態機序の解明や治療薬の開発にも結び付く可能性があります。

図: 視床線条体路による行動の選択と柔軟性な切り替えの制御

論文URL
 

【要点】
・ 歯状回-海馬の神経回路は、空間作業記憶に必要な脳領域である。
・ 歯状回の神経投射に依存して海馬神経細胞の同期活動が発生し、この同期活動は適切な空間作業記憶に必要である。
・ 動物が環境に適応して脳神経系を進化・発生させる仕組みの理解に貢献した。

【発表概要】
 動物は、現在の作業に必要な情報を一時的に記憶し、その記憶に基づいて一連の作業を効率的に実行できる。こうした記憶は、「作業記憶（ワーキングメモリ）」と呼ばれ、これまで前頭皮質などの脳領域の関与が注目されてきた。いっぽう、海馬とその近傍の歯状回といった脳領域は、過去に起こった出来事の長期的な記憶（エピソード記憶）には重要であることが知られていたが、作業記憶との関連はほとんど明らかではなかった。
 本研究では、まず、歯状回を破壊したラットに、複数の報酬位置を記憶するような空間迷路課題を解かせると、行動成績が有意に低下することを確認した。このことから、歯状回の空間作業記憶への必要性が示唆された。さらに詳細な神経メカニズムを調べるため、ラットの海馬に数十本の金属電極を慢性的に埋め込み、神経細胞の電気活動を記録した。その結果、正常ラットでは、海馬の神経細胞集団が顕著な同期活動を示したが、歯状回を破壊したラットではこのような活動が減少した。こうした同期活動には、海馬の場所細胞の発火が多数含まれており、正常ラットでは、これから訪れるべき報酬位置に対応した場所細胞の活動がより高く保たれていたが、課題を解くことができない歯状回破壊ラットでは、そのような特徴が消していた。これらの結果から、（１）歯状回-海馬回路が空間作業記憶に必要であること、（２）歯状回が海馬神経細胞の同期活動の発生に重要であること、（３）空間作業記憶を必要とする課題中には、海馬の神経細胞の活動パターンが適切に制御される必要があること、そして（４）こうした特徴的な活動には、歯状回が必要であること、が示された。これらの知見は、記憶すべき項目が刻々と変化するような環境に適応し、正しく作業を進めるための脳メカニズム解明への布石となる。

プレスリリース
論文URL
 

【発表のポイント】
・ 動物の「臨機応変」な行動選択を実現する神経回路の仕組みを明らかにした。
・ 相同なニューロンの多様化が「臨機応変」な行動選択を実現することを示した。
・ 動物が環境に適応して脳神経系を進化・発生させる仕組みの理解に貢献した。

【発表概要】
外界の状況に応じて「臨機応変」に行動することは動物の生存・繁栄に必須です。その最も単純な例として、動物は触覚刺激を受けたときに、その体の部位によって異なる応答をすることで刺激源からうまく逃れます。しかし、このような基本的な行動戦略においてさえ、臨機応変な行動選択を実現する脳神経系のしくみはほとんどわかっていませんでした。今回、東京大学大学院理学系研究科の高木優大学院生と新領域創成科学研究科の高坂洋史講師、能瀬聡直教授らの研究グループは、ショウジョウバエ幼虫において臨機応変な行動選択を実現する神経回路の構造と機能をはじめて明らかにしました。最先端のオプトジェネティクスやコネクトーム解析という手法を用いて感覚入力から運動出力に至る回路構造を明らかにし、Waveと名付けたニューロン群が脳神経系内の部位によって異なる配線をすることで、異なる体部位への感覚入力をそれぞれに適した逃避行動の実行に結びつけることを示しました。相同なニューロンが多様化することで「臨機応変」な行動選択が実現されるという発見は、動物一般にあてはまる基本原理である可能性が高く、動物行動制御のしくみの解明につながる大きな成果であると言えます。また環境に適応して脳神経系が進化・発生する過程の理解にも貢献するものです。

【要点】
・ 試行間間隔が短い条件下では、背内側コリン作動性介在ニューロンが反応弁別課題の逆転学習を促進する。
・ 試行間間隔が長い条件下では、背内側コリン作動性介在ニューロンが場所弁別課題および反応弁別課題の逆転学習を抑制する。
・ 行動柔軟性は、背内側コリン作動性介在ニューロンによって双方向的に制御される。

【研究概要】
行動の柔軟性とは、事前に学習した刺激―反応―結果間の関係をルールの変化に合わせて変更する能力のことである。動物が、この柔軟性によって学習内容の適切な変更を随時行うことは、生存上不可欠である。これを担う神経基盤のひとつとして、線条体のコリン作動性介在ニューロンが挙げられるが、そのメカニズムに関しては定かではない。本研究では、条件づけられた手掛かりに学習応答性活動を示すとみなされる線条体コリン作動性介在神経細胞に注目し、この細胞が行動柔軟性にどのような役割を果たしているのかを明らかにした。イムノトキシン細胞標的法によってラット背内側線条体の当該細胞を選択的に除去し、異なる試行間間隔と弁別の種類における課題条件下での行動柔軟性を検討した。その結果、背内側線条体コリン作動性介在ニューロンが、試行間間隔が短い場合には反応弁別逆転学習における行動柔軟性を促進する役割を持つのに対し、試行間間隔が長い場合には場所弁別課題や反応弁別課題の逆転学習での行動柔軟性を抑制する役割をもつことが明らかとなった(図)。この結果により、学習課題に用いられる“弁別行動の種類”や“試行間間隔の時間条件”の違いによって、背内側線条体コリン作動性介在ニューロンが行動の柔軟性を双方向的に制御することが示された。

図: 線条体コリン作動性介在神経細胞の行動柔軟性の双方向制御

論文（The Journal of Neuroscience）
論文（PubMed）

研究成果のポイント
① 恐怖や不安に関与する脳の領域分界条床核に存在するGABA作動性ニューロンを特異的に興奮させると、ノンレム睡眠をしていたマウスが直ちに覚醒することがわかりました。
② 同じニューロンを持続的に興奮させたところ、覚醒時間が延長され、ノンレム睡眠・レム睡眠両方が減少しました。
③ ①は覚醒を司ることが知られているオレキシン系の作用を介していない一方で、②はオレキシンの作用によることが明らかになりました。
④ 動物が外界の危険に応じて覚醒を誘導するメカニズムの一端が明らかになったことにより、情動による覚醒の制御機構が明らかになり、また、不安障害や不眠症の新たな治療薬開発へつながることが期待されます。

睡眠覚醒の状態は、生体内外のさまざまな要因や環境の影響を受けて変化します。これは、環境にあわせて覚醒状態を“シフト”するために重要な機能です。しかし、不安などの情動*1は覚醒に影響し、不眠症の原因となります。しかし、その背景にある神経科学的なメカニズムはこれまで明らかになっていませんでした。金沢大学医学類の小谷将太（学部学生）、筑波大学国際統合睡眠医科学研究機構（WPI-IIIS）櫻井武副機構長／教授らの研究グループは、マウスを用いた一連の実験で、恐怖や不安に関与する脳領域である分界条床核に存在するニューロンが、不安による覚醒を引き起こすことを明らかにしました。情動と覚醒をつなぐメカニズムの一部が今回解明されたことを発端として、不安障害や不眠症などに効果のある新たな医薬品開発につながることが期待されます。
本研究は文部科学省科学研究費（課題番号：15H03122、16H06401）などの支援によって実施されました。この成果は2017年6月22日に米国科学雑誌Journal of Neuroscience誌オンライン版にて公開されます。

【研究の背景】
動物の睡眠覚醒状態は、体内時計や睡眠負債（先行する覚醒の長さ）の影響を受けて変化します。それらに加えて、生体内外の環境によっても大きく影響を受けます。環境に恐怖や報酬の対象となるものが存在すると情動が発動し、交感神経系の興奮やストレスホルモンの分泌とともに、覚醒を引き起こします。これは、環境に合わせて睡眠覚醒状態を適切にシフトする機能です。一方、明確な対象のない、漠然とした不安も覚醒に影響し、こうした情動が不眠症の根底にあることがよく知られています。しかし、実際にどのような神経科学的なメカニズムがそこに介在しているかは、これまで明らかになっていませんでした。本研究では、恐怖や不安などの情動をつかさどる大脳辺縁系がどのようなしくみで覚醒に影響を与えるかを明らかにすることを目的として、マウスを用いた実験を行ないました。

【研究内容と成果】
大脳辺縁系の一部で、恐怖や不安に関与する領域である分界条床核は、脳内の複数の領域に投射して情動を制御しています。研究グループは、分界条床核に局在するGABA作動性ニューロン*2に着目し、その覚醒制御における役割を解析しました。光遺伝学*3という手法を用いて分界条床核に存在するGABA作動性ニューロンを特異的に興奮させたところ、ノンレム睡眠をしていたマウスが直ちに覚醒することが明らかになりました（図1)。

図1:今回の研究で使用された実験方法

しかし、レム睡眠時に同様の刺激を与えても何も効果がみられませんでした。ノンレム睡眠から覚醒に直ちに移行するこの作用に、覚醒に関与する脳内物質であるオレキシンが関与しているかを調べるため、オレキシン受容体拮抗薬*4を用いた実験を行ないましたが、影響はありませんでした。したがって、この覚醒作用にはオレキシンは関与していないことが明らかになりました。一方、分界条床核に存在するGABA作動性ニューロンを薬理遺伝学*5という手法により持続的に興奮させたところ、覚醒時間の延長とノンレム睡眠・レム睡眠両方の減少が認められました。この作用は、先述のオレキシン受容体拮抗薬により強く阻害されました。これらの結果から、①ノンレム睡眠時に分界条床核のGABA作動性ニューロンが興奮することで覚醒が惹起されるが、ここにはオレキシンの作用は介在しないこと、②分界条床核のGABA作動性ニューロンが持続的に興奮するとオレキシン系が動員され、その作用によって覚醒が維持されること、が明らかになりました。本研究により、不安などの情動に大きく関与する分界条床核におけるGABA作動性ニューロンが覚醒を誘導するメカニズムの一端が明らかになったのです。

図2 不安に関与する分界条床核GABA作動性ニューロンの機能がたかまると不眠が生じる

GABAは、抑制性の神経伝達物質でその機能を脳内で広範に高めると抗不安作用、催眠作用があるとされています。しかし、今回の実験で分界条床核など一部の脳の領域ではむしろ覚醒に関わっていることも示されました（図2)。
現在、臨床的に不眠症治療薬として使われてるようになっているオレキシン受容体拮抗薬は、持続的な不安にもとづく不眠を改善する効果があるが、情動による即時の覚醒応答自体には影響をあたえないため、例えば、就寝時に危険が発生しても覚醒を妨げることがないということも示唆されました。

【今後の展開】
不眠症の根底には不安が存在することが多く、そのメカニズムには分界条床核やオレキシンが関与していることがわかってきました。これらの領域をターゲットとすることで、不安障害や不眠症などに効果のある医薬品の開発につながるかもしれません。また、オレキシン受容体拮抗薬はすでに不眠症治療薬として実用化されており、その詳しい作用メカニズムを理解するうえでも重要な知見となると考えられます。

用語解説
(1) 情動：喜び、悲しみ、怒り、恐怖、不安といった本能的な心の動きのことで、 目や耳などの感覚器官から得た情報に対する脳の反応。「感情」を客観的に読み取ったものともいえる。
(2)GABA作動性ニューロン：GABAを神経伝達物質とするニューロン。GABAはアミノ酸の一種で、脳内でもっとも多く使われる抑制性の脳内物質。
(3) 光遺伝学：藻類に存在する光に感受性を持つ遺伝子を用いて、特定の神経細胞を操作（刺激・抑制）することによってその機能を知る方法
(4) 受容体拮抗薬：生体内で機能する生理活性物質の受容体に結合し、本来作用する物質の機能を阻害する薬物
(5) 薬理遺伝学：人工で作られた化合物にのみ反応する人工の受容体を特定の神経細胞に発現させその神経細胞のみを化合物を動物に投与することによって操作する方法

お問い合わせ
筑波大学 国際統合睡眠医科学研究機構（WPI-IIIS）広報連携チーム
住所 〒305-8575　茨城県つくば市天王台1-1-1　睡眠医科学研究棟
E-mail wpi-iiis-alliance@ml.cc.tsukuba.ac.jp
電話 029-853-5857

プレスリリース（日本語）（2016.9.20）
プレスリリース（英語）（2016.9.20）

概要
　不確かな感覚情報を自分の行動に補い合わせることで現在の状況を推定することは，ヒトや動物の高度な認知機能のひとつで，そのしくみの解明は脳科学の大きな課題です．一方，この脳科学上の課題は，工学分野では，動的ベイズ推定という理論で実現されています．本研究は，大脳皮質の頭頂葉が，動的ベイズ推定の重要な2要素を実現することを発見しました．具体的には，頭頂葉は，自身の運動による状況変化の予測と，感覚情報による予測の更新を実現しました．本研究は，これまで理論的な提案にとどまっていた仮説に，実験的な検証で証拠を示した初の成果となります．

はじめに
　動物は，雑音下や暗闇といった感覚情報の不確かな状況でも，行動する必要があります．不確かな感覚情報を行動情報と補い合わせることで現在の状況を推定することが重要です．この推定は，工学分野では，動的ベイズ推定 (例：カルマンフィルター) で実現されています．動的ベイズ推定は，自身の運動による状況の変化を予測し，感覚情報の取得で予測を更新します．例えば，マウスが暗闇を移動する場合，自身の歩行運動と仲間からの声で，巣の位置を推定できます．
　大脳皮質は，ベイズ推定を実装する脳部位として注目されてきました．また，動的ベイズ推定は，人工的な神経回路網で実現できることが示されています．大脳皮質は，6層のコラム構造を持ちますが，皮質2，3，5層の錐体細胞で，ボトムアップ信号 (感覚情報) とトップダウン信号 (自身の運動情報) を統合します．なお，運動情報は，皮質深層での神経活動に特に反映されるため，私たちは，大脳皮質の2，3，5層，特にその深層が，動的ベイズ推定を実装すると予想しました．
　この仮説を検証するために，マウスで，仮想環境下での音源到達課題を実施し，マウスが断続的な聴覚情報のもとで，自身の歩行運動をもとに目標の位置を推定する脳のしくみを調べました．二光子顕微鏡での神経細胞カルシウムイメージングと，脳情報デコーディング技術を用いた結果，大脳皮質の頭頂葉の皮質3・5層は，動的ベイズ推定と同様に，自分の行動をもとに目標位置の変化を予測し，感覚情報で予測を更新することがわかりました．

自らの運動に基づく距離予測
　私たちは，発泡スチロールのボールの上にマウスをのせ，ボールの回転に応じて周囲のスピーカーからの音の強さと方向を変える仮想現実環境を構築しました．音源到達課題の１試行は，音源が約１メートル先の状態から始まり，マウスが前進してボールを回すと，音源が近づきます．マウスが音源の位置に来ると，目の前の管から砂糖水を提示されました．マウスは学習後，音源に近づくにつれて管をなめる行動を増加させました．
　次に私たちは，音源に向かう途中の約20センチのいくつかの区間で，音を止めました．この実験でも，音源に近づくにつれて，マウスは管をなめる頻度を増やしました．この結果は，マウスは自分の歩行運動をもとに目標位置を予測したことを示します．また，私たちは，マウスの頭頂葉に神経活動を抑制する薬 (GABA-A 受容体作動薬：ムシモール) を注入すると，音の無い区間では管をなめる行動が増えない，つまり自分の行動による目標位置の予測がうまくできなくなることを発見しました．

頭頂葉の神経細胞による動的ベイズ推定の実現
　8匹のマウスで，音源到達課題時の頭頂葉の数百個の神経細胞の活動を，二光子顕微鏡で同時計測しました．多くの神経細胞は，目標位置への距離に応じて活動を変化させました．また，これらの神経細胞の多くは，音の無い区間でも，その活動を維持しました．
　神経細胞集団の活動が意味するものを探るため，私たちは脳情報デコーディング技術を応用しました．この技術は，音のある区間で個々の神経細胞がどの距離でどれくらい活動するかという特性（コーディング）を調べて，ある時点での多数の細胞の活動からゴール距離を確率的に推定（デコーディング）します．頭頂葉の神経細胞集団は，音の無い区間でも，マウスの歩行に応じたゴール距離の変化を予測しました (図1)．また，音のある区間では，距離予測の精度が向上しました．頭頂葉は，外界からの感覚情報が無い場合にも行動から現在の状態を予測し，感覚情報が得られるとその予測を更新するという，動的ベイズ推定を実現していることが明らかになりました．

おわりに
　これまで，大脳皮質の神経回路が動的ベイズ推定を行うという理論的な仮説はありましたが，実験的に検証されていませんでした．私たちは，課題中のマウスの多数の神経細胞の活動を計測・解析することで，大脳皮質の頭頂葉が自らの運動情報による動的ベイズ推定に関わることを示す証拠を得ました．
　本研究は，新学術領域研究「適応回路シフト」と新学術領域研究「予測と意思決定」(http://www.decisions.jp) との連携により得られた成果のひとつです．また，本研究は，科研費若手B，沖縄科学技術大学院大学の研究費の補助を受けて実施されました．

プレスリリース（2016.8.4）

【研究の背景】
　嗅細胞で受容されたにおい情報は、まず一次中枢である嗅球で処理され、そののち嗅皮質へと伝えられて識別されます。嗅球の神経回路では、抑制性の介在ニューロン（傍糸球細胞・顆粒細胞）が、興奮性の投射ニューロン（外房飾細胞・僧帽細胞）の神経活動を調節することによって、においの情報処理が行われています（図１）。また、嗅球介在ニューロンの大多数をしめる顆粒細胞には、樹状突起の形態の異なる複数種類のサブタイプが存在することが知られています。しかしながら、においの情報を処理する際に、特定の顆粒細胞のサブタイプがどのような役割を果たしているのかについては、全く明らかにされていませんでした。

【本研究の成果】
　私共はこれまでに、5T4という一回膜貫通型の糖蛋白質が顆粒細胞の中の特定のサブタイプ（以下、5T4顆粒細胞）で、におい刺激に応じて産生されて、樹状突起の枝分かれを制御していることを見出しました。そこで本研究では、顆粒細胞の樹状突起の枝分かれが減少している5T4欠損マウスから嗅球スライスを作製し、5T4顆粒細胞の樹状突起を電気刺激することにより、投射ニューロンへの抑制性の入力がどのように変化するのかを調べました。興味深いことに、野生型と比較して5T4欠損マウスでは、投射ニューロンの中の外房飾細胞のみにおいて、5T4顆粒細胞からのGABAA受容体を介した抑制性の入力が顕著に減少していました。また、顆粒細胞は投射ニューロンと、樹状突起を介した双方向性のシナプスを形成することが知られています。そこで、投射ニューロンから5T4顆粒細胞への興奮性の入力についても検討したところ、5T4欠損マウスでは5T4顆粒細胞への興奮性の入力も顕著に減少していました。これらの結果から、5T4欠損マウスでは、5T4顆粒細胞の樹状突起の枝分かれが減少して、外房飾細胞との樹状突起を介した接続も減少していることが明らかになりました（図２）。
　次に、におい物質の濃度を変えてマウスに提示して、探索行動をするにおいの検出感度を調べたところ、5T4欠損マウスでは野生型と比較して、約100倍低下していることが明らかになりました（図２）。さらに、においの識別能について、２つのにおい分子AとBに対する学習行動の実験を行いました。２つのにおいが単独で存在する場合には、野生型と5T4欠損マウスは共に、それぞれを識別できました。しかしながら、2つのにおいが共存する場合には、野生型マウスはにおい分子AとBを識別することができましたが、5T4欠損マウスはできませんでした。これらの結果から、他のにおいが高い濃度で存在する場合には、5T4欠損マウスは目的のにおいを嗅ぎ分ける能力に異常が生じていると考えられます。
　以上の結果により、5T4顆粒細胞という嗅球介在ニューロンのサブタイプが、においの検出と識別に必須の役割を果たしていることが明らかになりました。今後、5T4顆粒細胞以外のサブタイプについても同様な解析を行うことにより、嗅球介在ニューロンを介したにおい情報処理のメカニズムがさらに明らかになると考えています。また本研究から、遺伝的な嗅覚障害、並びに、加齢や神経疾患に伴う嗅覚機能の低下に、5T4顆粒細胞が関与している可能性が示唆されますので、“人為的に5T4顆粒細胞を活性化することにより、低下した嗅覚機能を回復させる”といった新たな治療法の開発にもつながると期待されます。

 

プレスリリース（2016.3.8）

私たちは身のまわりの環境にあふれる膨大な情報を、どのように整理して認識し、判断や行動のために使っているのでしょうか？　筒井健一郎先生（計画班員）と共同研究者の細川貴之博士らは、サルを使った動物実験で、カテゴリー化によって情報を整理して判断することに関係する神経活動を、高次脳機能の中枢として知られている前頭連合野において発見しました。本研究では、ニホンザルに、呈示された視覚刺激からその後にどのような飲み物が与えられるかを予測する課題を訓練したうえで、前頭連合野から神経活動を記録しました。その結果、前頭連合野の一部の神経細胞が、概念の一種であるカテゴリーや、それを使って予測した結果の情報を保持していることを見出しました。この発見により、脳がその基本戦略として、膨大な情報をカテゴリー化によって整理し、物事の関係性を分かりやすくしたうえで、思考や判断に使っているということが明らかになりました。

この成果により、抽象的概念の形成やそれを使った論理的思考にかかわる神経メカニズムの解明が大きく進むことが期待されます。また、抽象的な思考が不得意だとされるアスペルガー症候群などの発達障害の病態の理解や、新たな治療法の開発にもつながることが期待されます。この研究成果は、脳神経科学のトップジャーナルのひとつである Journal of Neuroscience 誌３月号（３月９日発行）に掲載されました。

図１：実験装置とサルに行わせた課題の概要
サルは、数秒後に、口元のチューブから、ジュースがでてくるのか、食塩水がでてくるのかを、スクリーンに呈示された図形のカテゴリーを基に予測する。一定期間の訓練の後、サルは、ジュースを予測すると、それが口元のチューブから出てきたときに取りこぼしなく飲めるようにチューブを舐めながら待ち、食塩水を予測すると、それを飲まないで済むように口を閉じて待つようになった。

図２：記録された神経活動の代表例
Ａ： いずれのルールのもとでも、カテゴリーＡの図形が呈示されたときに活動が上昇する神経細胞の一例。このような活動を示す神経細胞は、カテゴリーの情報を保持しているといえる。
Ｂ： ルールＸのもとではカテゴリーＡの図形、ルールＹのもとではカテゴリーＢの図形が呈示されたときに活動が上昇する神経細胞の一例。常に特定の結果（ジュース）が予想される条件で活動が上昇していることから、このような活動を示す神経細胞は、予測の結果の情報を保持しているといえる。

生物が自然環境で生き抜くためには、刻々と変化する状況の中で最適な行動をとることが重要です。これまで実験室では、単純化した迷路課題を用いてマウスなどの学習能力についての研究が多くなされてきましたが、実際に自然のなかで生きていくのに必要な問題解決能力についてはほとんど調べられていませんでした。

本研究では、ゴールに到達できる経路が多数ある迷路を製作し、さらに途中で迷路の一部を閉鎖・再開放するなど、より自然に近い環境でのマウスの行動を詳細に解析しました。その結果、学習の初期に、より多くの失敗（無効な探索）をしたマウスのほうが、複数の経路から最短経路を見つけるのが早く、また迷路の一部が閉鎖された際にも、より効率的な迂回路を見つけることができることを見出しました。

本研究から、マウスのような動物は、多数の選択肢から最適なものを見つけることができ、この能力には過去の失敗経験が大きく関わっていることが明らかになりました。迷路課題の設定と、マウスのすべての行動の解析が、本研究成果を見出した鍵です。本研究で用いたような迷路課題には、脳内での認知地図形成が大きく関わっていると考えられています。近年の場所細胞の研究と合わせて、柔軟な問題解決の脳内メカニズムの解明に向けたさらなる研究が期待されます。
研究成果は、報道番組「ニュースゼロ」（日本テレビ23:00～）などの各種メディアで紹介されました。

リンク先：　http://release.nikkei.co.jp/detail.cfm?relID=406978