運動学習の成立過程における大脳皮質-大脳基底核連関の可塑的神経機構

• Project/Area Number: 13041068
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Tokyo Metropolitan Organization for Medical Research
• Principal Investigator: 高田 昌彦 財団法人東京都医学研究機構, 東京都神経科学総合研究所, 副参事研究員 (00236233)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 南部 篤 財団法人東京都医学研究機構, 生理学研究所, 教授 (80180553) ; 徳野 博信 財団法人東京都医学研究機構, 東京都神経科学総合研究所, 主任研究員 (40212071)
• Project Period (FY): 2001 – 2002
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2002)
• Budget Amount: ¥6,800,000 (Direct Cost: ¥6,800,000); Fiscal Year 2002: ¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000); Fiscal Year 2001: ¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000)
• Keywords: 脳機能イメージング / 超音波ドプラー法 / 脳血流 / 大脳皮質 / 補足運動野 / 大脳基底核 / 運動制御 / 運動学習 / 超音波ドップラー断層法 / 運動領野 / サル

Research Abstract

本研究では、経脳硬膜超音波ドプラー法を用いて脳の血行動態(血流速度の変化)を直接モニターし、賦活化された領域を解剖学的に同定することにより、神経活動に関連した機能的イメージングを行い、運動課題を実行中のサルから得られた大脳皮質運動関連領野の活動変化を経時的に解析した。実験では、3頭のニホンザルに、手がかり刺激に応じて片手もしくは両手の運動を弁別し、遅延期間後に実際に片手あるいは両手でボタン押しを行うような運動課題を訓練した。脳血流の計測には超音波画像診断装置を使用し、ドプラー音として得られたデータをJTFA(joint time frequency analysis)法により解析した。測定部位は、一次運動野(MI)、補足運動野(SMA)、運動前野背側部(PMd)および腹側部(PMv)で、部位ごとに50回試行の加算を平均し、手がかり刺激提示前の血流速度に対する増加率を算出した。その結果、(1)MIでは、片手課題で運動開始に関連した顕著な血流増加が反対側性にみとめられ、両手課題でも同様の血流増加が両半球でみとめられた。(2)SMAでは、片手課題と両手課題のいずれでも、とくに手がかり刺激と運動開始に関連した血流増加が反対側性、同側性、および両側性にみとめられた。(3)PMdでは、片手課題で遅延期間と運動開始に対応した血流増加が反対側性にみとめられ、両手課題でも同様の血流増加が両半球でみとめられた。(4)PMvでは、片手課題で手がかり刺激と運動開始に対応した血流増加が反対側性にみとめられ、両手課題でも同様の血流増加が両半球でみとめられた。以上の結果は、これまでに報告された電気生理学的所見とよく一致しており、経脳硬膜超音波ドプラー法による脳機能イメージングが有効であることを示している。さらに、ボタン押し課題の学習過程における血流変化を解析した結果、SMAでは、手ががり刺激と運動開始に関連した血流増加率が学習初期に比べて学習成立時にかなり減少していることが明らかになった。また、課題実行中にボタン押し課題を上記の弁別課題から単純な繰り返し課題に変更すると、SMAにおける手がかり刺激や運動開始に関連した血流増加が減少もしくは消失した。これらの結果は、SMAが運動学習の成立過程に深く関与することを示唆している。

Research Products

• [Publications] Takada M, Tokuno H, Hamada I, Inase M, Ito Y, Imanishi M, Hasegawa N, Akazawa T, Hatanaka N, Nambu A: "Organization of inputs from cingulated motor areas to basal ganglia in macaque monkey"Eur J Neurosci. 14. 1633-1650 (2001)
• [Publications] Isomura Y, Fujiwara-Tsukamoto Y, Imanishi M, Nambu A, Takada M: "Distance-dependent Ni2+-sensitivity of synaptic plasticity in apical dendrites of hippocampal CA 1 pyramidal cells"J Neurophysiol. 87. 1169-1174 (2002)
• [Publications] Kitano K, Cateau H, Kaneda K, Nambu A, Takada M, Fukai T: "Two-state membrane potential transitions of striatal spiny neurons as evidenced by numerical simulations and electrophysiological recordings in awake monkeys"J Neurosci. 22:RC230. 1-6 (2002)
• [Publications] Kaneda K, Nambu A, Tokuno H, Takada M: "Differential processing patterns of motor information via striatopallidal and striatonigral projections"J Neurophysiol. 88. 1420-1432 (2002)
• [Publications] Nambu A, Kaneda K, Tokuno H, Takada M: "Organization of corticostriatal motor inputs in monkey putamen"J Neurophysiol. 88. 1830-1842 (2002)
• [Publications] Fujiwara-Tsukamoto Y., Isomura Y, Nambu A, Takada M: "Excitatory GABA input directly drives seizure-like rhythmic synchronization in mature hippocampal CA1 pyramidal cells"Neuroscience. (発表予定).
• [Publications] Takada M: "Protection against nigrostriatal dopamine cell death by pedunculopontine tegmental nucleus lesions"The Basal Ganglia VII. (印刷中).
• [Publications] Nambu A: "Partly converging but largely segregated corticostriatal projections from the primary motor cortex and the supplementary motor area"The Basal Ganglia VII. (印刷中).
• [Publications] Kaneda K: "Differential processing patterns of motor information via striatopallidal and striatonigral projections : target dependence of parallel versus convergent rules"J Neurophysiol. (印刷中).
• [Publications] Nambu A: "Organization of corticostriatal motor inputs in monkey putamen"J Neurophysiol. (印刷中).
• [Publications] Kitano K: "Two-state membrane potential transitions of striatal spiny neurons as evidenced by numerical simulations and electrophysiological recordings in awake monkeys"J Neurosci. (印刷中).
• [Publications] Takada M: "Corticostriatal projections from the cingulate motor areas in the macaque monkey"The Basal Ganglia VI. (印刷中).
• [Publications] Yamaji Y: "Differential reductions in dopaminergic innervation of the motor-related areas of the frontal lobe in MPTP-treated monkeys"The Basal Ganglia VI. (印刷中).
• [Publications] Nambu A: "Functional significance of the cortico-subthalamo-pallidal "hyperdirect"pathway"Neurosci Res. (印刷中).
• [Publications] Isomura Y: "Distance-dependent Ni2+-sensitivity of synaptic plasticity in apical dendrites of hippocampal CA1 pyramidal cells"J Neurophysiol. (印刷中).
• [Publications] Takada M: "Organization of inputs from cingulate motor areas to basal ganglia in macaque monkey"Eur J Neurosci. 14. 1633-1650 (2001)
• [Publications] Hatanaka N: "Somatotopic arrangement and corticocortical inputs of the hindlimb region of the primary motor cortex in the macaque monkey"Neurosci Res. 40. 9-22 (2001)
• [Publications] Takada M: "Immunohistochemical localization of voltage-gated calcium channels in substantia nigra dopamine neurons"Eur J Neurosci. 13. 757-762 (2001)