2017 Fiscal Year Research-status Report

脳内ストップウォッチにおける前頭葉の機能的役割

Research Project

Project/Area Number	17K00216
Research Institution	Kindai University
Principal Investigator	生塩研一近畿大学, 医学部, 講師 (30296751)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	時間知覚 / 前頭葉
Outline of Annual Research Achievements	時間は基本的な物理量だが、脳がどうやって時間を処理しているのかほとんど分かっていない。我々が1秒、２秒、３秒の区別をつけられるのは、脳内ストップウォッチで時間をアナログ的に計っていることを如実に物語っている。しかし、これまでに行われてきた実験では、時間長を長短の二者択一させる課題が大半で、時間長を単に長短で分けしている情報処理過程を調べてきた可能性も否定できない。そこで申請者は、３つの時間長を区別する実験課題を構築し、脳内ストップウォッチの解明に挑んでいる。fMRIといった脳機能イメージングより高い時間精度が要求されるので、実験手法としては、個々のニューロン活動について発火時刻を詳細に記録するユニットレコーディングを採用している。運動前野は前頭葉にある脳領野で、脳の情報処理の流れでは一次運動野の一つ上流に位置する。ヒト以外の霊長類で、時間長の情報処理に内側運動前野のニューロンが関わっていることを示した論文がある（Marchant et al., 2014, 2015）。その論文では、リズミックな動作をしているときに、経過した時間などを表現するニューロンが見付かったと報告されている。このことは、前頭葉の中で、運動前野も時間長の情報処理に何らかの役割を果たしていることを示すもので興味深い。申請者は以前、時間長を弁別する課題の遂行中に、補足運動野のニューロン活動を記録した経験がある。運動前野はそもそも運動に強く関連しているが、補足運動野の下流にあたる脳領域であり、時間情報処理にも関わっている可能性は高い。実は、この内側運動前野は当初、平成30年度に取り組む予定にしていたが、いろいろな情報を総合的に判断した結果、前倒して研究期間の１年目に記録実験を実施した。まだ充分にデータは取れていないが、時間長の処理に関わるニューロンが見付かってきて、学会発表を２件行った。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 交付申請書の研究計画に記載した、３つの時間長カテゴリを区別する時間弁別課題の実験を実施した。この実験では、サルに、短い時間長カテゴリ（1.0秒前後）、中程度の時間長カテゴリ（2.0秒前後）、長い時間長カテゴリ（4.0秒前後）の３つの時間長カテゴリを区別させた。時間長の呈示は視覚刺激（緑色の四角形）を用いた。サルが保持用のボタンを押すと課題が開始され、その時間長を視覚刺激で呈示した。各試行の時間長は３つの時間長カテゴリからランダムに選んだ。１秒の遅延期間後に緑色の四角形を３つ横に並べて表示し、左の四角形は呈示時間長が「短い」、中央の四角形は時間長が「中程度」、右の四角形は時間長が「長い」ことをトレーニング期間にサルに教示してあるので、サルはその中から一つを選ぶ。数ヶ月のトレーニングを経て、サルは「短い」「中程度」「長い」の３つの時間長カテゴリを充分に弁別できるようになった。その時点で、前頭葉の前頭前野や運動前野のニューロン活動を記録すべく、当該領野の頭蓋骨を除去する手術を施し、ニューロン活動記録実験の準備を整えた。頭部をステレオに固定し、時間弁別課題遂行中に硬膜上からエポキシ被覆タングステン電極（FHC, USA）を刺入して細胞外記録法によりニューロン活動を記録した。まだデータを収集している段階ではあるが、内側運動前野では、申請者の実験課題でも時間長の弁別に関わるニューロンが見つかった。例えば、視覚刺激の開始から１秒くらいで一時的な発火を示すニューロン、刺激の開始から1.5秒くらいで持続的な発火を示すニューロン、視覚刺激が終了した後で時間長のカテゴリに応じで異なる発火頻度を示すニューロンなどある。パイロットデータとして、平成29年7月の日本神経科学大会では、１頭のサルから得られたデータを、平成30年3月の日本生理学会大会では、２頭のサルから得られたデータを発表した。
Strategy for Future Research Activity	平成29年度の実験で、内側運動前野のニューロンも時間長の弁別に関わることが分かったので、平成30年度以降は、ニューロン活動記録実験を通してさらなるデータの収集に努めながら、刺激呈示期間・遅延期間・選択期間などでのニューロンの発火頻度の変化や刺激呈示時間とのパラメトリックな関係性を解析し、どんな活動パターンを示すニューロンがどれくらいの比率あるかなど、より詳細なデータ解析を進める。その解析結果を元に時間長の弁別における内側運動前野の機能的役割を検討する。また同じ実験課題で前頭前野や頭頂葉からも記録する。また、前頭前野のニューロン活動を記録するチェンバーから、電極の刺入角度を調整するなどして線条体にもアプローチできるので、線条体からの記録も開始する。また、時間は視覚や聴覚といった感覚種に依存しない物理量であるにもかかわらず、単一の感覚種を使った実験がほとんどだった。時間情報処理の本質を探るには、感覚種に依存しないニューロン活動を調べる必要がある。従って、視覚と聴覚の両方を時間呈示に使う実験も進める予定である。それらのデータからの時間長の弁別における前頭葉の機能的役割を、運動前野や前頭前野のニューロン活動から検討し、また、頭頂葉、線条体などとの相互のシステム的関係性の観点から分析する。ニューロン活動記録実験が終了したサルは、HRP（西洋ワサビ過酸化酵素）、FB（Fast blue）、DY（Diamdino Yellow Dihydrochloride）などのトレーサーを用いた種々の標識法により、記録部位ニューロン等の解剖学的結合性を調べる。何らかの事情によりニューロン活動記録実験が当初の計画どおりに進まない場合には、これまでに得られたニューロン活動の解析を進め、学会発表や論文などにより、研究成果の公表に努めたい。
Causes of Carryover	交付申請書の研究計画に記載した通り、主だった実験機器は既存のものを使用しており、科研費では消耗品への拠出を中心にした計画を申請している。毎日の実験のセットアップ時や実験中に、経年劣化と思われる機器のちょっとした不具合が出始めてきた。制御用コンピュータ、課題制御ソフト（TEMPO SYSTEM）、マニピュレーター、信号増幅用アンプ、マルチスパイクディテクタ用コンピュータ、マルチスパイクディテクタ用ソフトなどの設備を早々に交換することが予想される。そのため、消耗品の使用を慎重に行い、必要最小限の使用に抑えることで、来年度以降に拠出が見込まれる予算を確保すべく繰越額を残した。使用計画としては、不具合が大きくなれば、今年度に実験機器を買い替えるために繰り越した予算を使用するが、そうでなければ、来年度は当初の計画通りに予算執行を行い、繰越額は来年度に繰り越すこととする。