Neural mechanisms generating cerebellar learning signal in the inferior olivary nucleus

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K18394
• Research Institution: Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science
• Principal Investigator: 石川 享宏 公益財団法人東京都医学総合研究所, 運動・感覚システム研究分野, 主席研究員 (90595589)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 小脳 / 学習信号 / 登上線維 / 下オリーブ核 / プルキンエ細胞

Outline of Annual Research Achievements

小脳は運動学習において重要な役割を担っていると考えられ、学習すなわち入出力関係の調節は、下オリーブ核から小脳皮質に投射する登上線維入力によって制御される。したがって登上線維入力の生成メカニズムを明らかにすることができれば、小脳を介して適応的に運動を調節・制御する脳内メカニズムの理解が大きく前進すると期待される。本研究の目的は下オリーブ核に情報を伝達する神経回路と、それらの情報によって登上線維入力が生成される生理学的なメカニズムを解明することである。
当該年度においては、小脳の中でも特に大脳皮質との間にループ状の神経回路を形成する大脳小脳に注目し、まず始めにマウスを用いて大脳運動野や末梢神経の電気刺激に対する応答を調べた。その結果、大脳小脳の一部であるCrus Iにおいて、両方の刺激に対して登上線維入力に伴う複雑スパイクが生じるプルキンエ細胞が多数観察された。刺激から応答までの潜時がほぼ同じ（12 msec）であることから、Crus Iに登上線維を送る下オリーブ核の一部（主オリーブ核）において中枢および末梢からの入力が同一の細胞に収束していると考えられる。そこで脊髄の一部（C5-7）に順行性の神経トレーサーを注入したところ、主オリーブ核の一部に直接投射していることが確認された。従来、主オリーブ核は主たる入力を大脳皮質から赤核経由で受けるとされてきたが、実際には脊髄からの直接入力も受けており、電気生理実験の結果が示すように大脳小脳において運動時には運動指令と感覚フィードバックのいずれに対しても登上線維入力が生成されうることが示された。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初の計画では、下オリーブ核に伝達され登上線維入力の生成に寄与する感覚情報のモダリティを決定するため、体性感覚のみならず視覚刺激や聴覚刺激を与えた場合のプルキンエ細胞活動を電気生理学的計測に加えてカルシウムイメージングによっても計測する予定であった。しかしカルシウムイメージングのシステムの立ち上げが難航しており、実現に至っていない。

Strategy for Future Research Activity

カルシウムイメージングシステムの立ち上げと並行して、視覚、聴覚および体性感覚刺激によるプルキンエ細胞の応答を電気生理学的手法によって計測し、それらの刺激によって同一の登上線維入力による反応が生じるかどうかを調べる。また、神経トレーサーの注入実験において、大脳皮質由来の入力と末梢からの入力が下オリーブ核において単一細胞レベルで収束しているのかどうかを調べる。下オリーブ核のニューロンは隣接するニューロンとGap junctionで結合しているため、細胞ごとに入力元が異なる可能性もあり、この点を明らかにする。

Causes of Carryover

実験補助員の人件費として使用する予定であったが、必要な技術を持った人材を雇用することができず、結果として次年度使用額が生じた。差額は次年度に雇用する予定の実験補助員の人件費に充てる予定である。