神経活動の光学的イメージングによる皮質・脳幹の機能発生/機能破綻過程の相違の解析

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12210059
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: 佐藤 勝重 東京医科歯科大学, 大学院・医歯学総合研究科, 助手 (80291342)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐藤 容子 東京医科歯科大学, 大学院・医歯学総合研究科, 講師 (70251501)
• Keywords: 膜電位感受性色素 / 光学的計測法 / イメージング / 脳幹 / 脳神経核 / 鶏胚 / グルタミン酸受容体 / サイレントシナプス

Research Abstract

老化をはじめとする神経系の変性では、脳皮質領域が侵されることが多く、植物状態にはなり得ても、脳幹領域が障害をうけて個体死に至ることはない。これは、脳幹と皮質との間で、神経栄養因子への依存性などをはじめとする機能的・器質的な特性に何らかの違いがあるためと考えられる。本研究では、この仮説を検証するために、脳幹領域と皮質領域との機能発生/機能破綻過程を比較検討し、両者の間にどのような相違が見られるのかを明らかにすることを目的とするものである。
本年度は、上記の目的のうち、脳幹の機能発生・機能構築過程に関して研究を進めた。具体的には、孵卵4日から10日の鶏胚から脳神経をつけたまま脳幹を摘出し、膜電位感受性色素(NK2761)で染色した後、各脳神経(三叉神経、舌咽神経あるいは迷走神経)を吸引電極で刺激し、128-1020チャネル同時測定システムにより脳幹内のニューロン活動を光学的シグナルとして検出した。検出したシグナルに関して、以下のことが明らかとなった。
1)検出した光学的シグナルにの波形解析から各脳神経の感覚核、運動核の機能マップを作成した。運動核の機能発現は非常に早く、迷走神経では孵卵4日から光学シグナルが検出できた。一方、感覚核におけるシナプス機能の発現は運動核に比較すると遅く、孵卵6から7日の段階からEPSPが検出できた。脳幹における運動核、感覚核の機能発現は、皮質と比較して格段に早いものであった。また、この機能マップから、各脳神経核は、発生段階においてはそれぞれが明らかな境界で区切られているのではなく、一部お互いに重なり合っていることが明らかとなった。
2)感覚核におけるシナプス伝達は、どの脳神経においてもグルタミン酸を伝達物質としており、シグナル伝達にはNMDA型とnonNMDA型受容体の両サブタイプが関与していることが明らかとなった。
3)シナプス機能の発現時期は、三叉神経、舌咽神経、迷走神経ですべて同じではなく時期的な差があることが明らかとなった。また、どの脳神経感覚核においても、シナプスはその機能が顕在化する以前に潜在的に形成されていて、細胞外液Mg^<2+>によって抑制されていること、すなわち、シナプス機能の発現には、NMDA型受容体が深く関与していることが明らかとなった。

Research Products

• [Publications] Tanaka et al.: "Physiological consistency in trial-to-trial variation in intrinsic-optical responses to single-whisker movement in the rat D1-barrel cortex."Neuroscience Research. 36. 193-207 (2000)
• [Publications] Sato et al.: "Optical detection of embryogenetic expression of vagal excitability in the rat brain stem."Neuroreport. 11. 3579-3763 (2000)
• [Publications] Sato et al.: "Optical responses to micro-application of GABA agonists in the embryonic chick brain stem."Neuroreport. 12. 95-98 (2001)
• [Publications] Momose-Sato et al.: "Optical approaches to embryonic development of neural function in the brainstem."Progress in Neurobiology. 63. 151-197 (2001)
• [Publications] Momose-Sato et al.: "Spreading depolarization waves triggered by vagal stimulation in the embryonic chick brain : optical evidence for intercellular communication in the developing CNS."Neuroscience. 102. 245-262 (2001)
• [Publications] Mochida et al.: "Multiple-site optical recording reveals embryonic organization of synaptic networks in the chick spinal cord."European Journal of Neuroscience. (in press). (2001)
• [Publications] Yazawa et al.: "Developmental changes in trial-to-trial variations in whisker barrel responses studied using intrinsic optical imaging : Comparison between normal and de-whiskered rats."Journal of Neurophysiology. (in press). (2001)
• [Publications] Mochida et al.: "Effects of anisomycin on LTP in the hippocampal CA1 : Long-term analysis using optical recording."Neuroreport. (in press). (2001)
• [Publications] 佐々木真一 他: "内因性光学イメージングを用いたin vivoラット脊髄神経活動のモニタリング"脊髄電気診断学. 22. 32-35 (2000)
• [Publications] 佐々木真一 他: "末梢神経刺激により脊髄に誘発されたニューロン応答の内因性光学イメージング"脊髄電気診断学. 23(in press). (2001)
• [Publications] 佐藤勝重: "細胞電気活動の光学的計測法-いかにして真のシグナルとノイズを見分けるか-"日本生理学雑誌. 62. 275-278 (2000)
• [Publications] 佐藤容子 他: "自律神経系の機能的解析における光学的計測法の適用"自律神経. (in press). (2001)
• [Publications] 大野喜久郎 他: "脳神経外科の最前線NO.2 21世紀の新領域とニューテクノロジー"先端医療技術研究所. 472 (2000)
• [Publications] 佐藤勝重: "ブレインサイエンス・レビュー2001"医学書院(in press). (2001)