「海馬歯状回のバンドパス・フィルタ特性と選択的な情報伝達」
○石塚 智
九州工業大学大学院生命体工学研究科脳情報専攻
歯状回は海馬システムの入口にあたり、嗅内皮質からの情報を次のCA3へ出力している。古くから歯状回は、海馬の門番の役割を 果たしていると考えられている。また、シータ・リズムを通しやすいとの報告もある。今回我々は、広い周波数帯域(0.1～100 Hz) に渡る歯状回の周波数伝達特性を測定したので報告する。その結果、歯状回は5～10 Hzを通しやすいバンドパス・フィルタ特性を示すこ とが明らかとなった。またピーク周波数が標本毎に異なっていることから選択的な情報伝達の可能性を考えた。つまり、聴覚に見られる 時間(周波数)情報を空間情報に置き換える形式が歯状回でも使われているかどうか議論したい。
UP2006年3月2日
「スパイクタイミングの統計的性質」
○三浦 佳二
京都大学大学院 物理学・宇宙物理学専攻 物理学第一分野 物性理論グループ 非線形動力学研究室
スパイクタイミングの統計的性質を，力学系モデルと統計モデルを用いた２つの解析的なアプローチから探る．
前半では，Resonate-and-Fire Neuron(RFN)の大規模なネットワークを考える．RFNは2変数の力学系モデルであり，膜電位が減衰振動を示す．
このため，入力のタイミングに応じて発火しやすさが大きく変わるという点で，広く用いられるIntegrate-and-Fire Neuronよりも現実的なモデルである．
ニューロンの数が十分多い極限を仮定することで，集団的な平均発火率が時間とともに一定である状態の安定性が求められることを示す．
すなわち，巨視的活動度に振動が起こる臨界点を解析的に求めることに成功した．
後半では，スパイク列の統計モデルとして，スパイク間隔がガンマ分布に従って次々に生成されるというモデルを考える．
ガンマ分布は２つのパラメタを含み，１つは発火率に，もう１つはスパイクの不規則性に対応している．
ここでは，発火率は時間変動するのでスパイク間隔ごとに異なると仮定し，スパイク不規則性は細胞に固有で時間とともに変動しないと仮定する．
この時，発火率がどのような時間変動をしていたとしても，単一のスパイク列のみから，(無限自由度の)発火率の関数形を推定することなく，スパイク不規則性のみを正しく推定するための，最良な推定方法を求めた．
この推定方法は，ガンマ分布のパラメタを座標とする情報幾何学を考えて，射影を通して発火率と“直交”させた推定関数を用いることで得られた．
[この研究は，NIPS2005において論文賞を受賞した内容である．]
Photo by Dr. Mizuno
協力：九州工業大学21世紀COEプログラム
2006年1月12日
「Emotion and chemical environments (情動と化学環境)」
○粟生修司、藤本哲也
九州工業大学大学院生命体工学研究科脳情報専攻
We have reported that prenatal exposure (0.1ppm) to Bisphenol A (BPA, a typical environmental endocrine disrupter) impairs the sexual differentiation of exploratory behavior and enhances depressive behavior (Fujimoto et al. 2005, 2006). In the present study, the effects of prenatal exposure to BPA on behavioral and neuronal responses to olfactory stimuli were examined. General motor activity and avoidance response to predator odor (fox) were measured in the odor avoidance test. Neuronal responses to various odors were examined in the medial amygdale using extracellular recording technique. The smell of fox predominantly suppressed locomotor activity and enhanced avoidance response in BPA exposure rats but not control rats. In the electrophysiological study, male medial amygdalar neurons showed selective excitatory responses to odors of predators. This type of neurons did not respond to plant odors. In contrast female amygdalar neurons did not show such selectivity in which excitatory neurons responding to predator odors also showed excitatory responses to plant odors. The sex difference in this neuronal response pattern was attenuated by prenatal exposure to BPA. These findings suggest that BPA impairs sexual differentiation of the medial amygdale affecting behavioral responses to the predator odors. Supported by COE program, Grants-in-Aid for Scientific Research and Health Sciences Research Grant.
UP2005年12月1日
「脳は眼に何を語るか？：向網膜系の構造と機能」
内山 博之
鹿児島大学 工学部 情報工学科
脳から網膜への遠心性投射系を向網膜系と呼ぶ．向網膜系は多くの脊椎動物で見いだされるが，鳥類の向網膜系が最も詳しく研究されている．向網膜系は，感覚情報処理の遠心性制御という観点から興味深い対象であるだけでなく，その直列処理的な動作様式や広域的競合といった計算論的特徴からも重要な神経回路である．また，向網膜系は選択的注意の成立に関与することが示唆されている．今回は，鳥類の向網膜系の構造と機能の特徴を説明し，競合回路モデルのシミュレーションも交えて，その機能的意義を考察する．
Photo by Dr. Mizuno
2005年11月10日
「ドーパミンD1型受容体を介した網膜神経節細胞のスパイク発火調節」
○林田 祐樹，Andrew Ishida
熊本大学 工学部 電気システム工学科
神経調節物質の一つであるドーパミンは，ワーキングメモリやLTP，また痛覚応答や光応答順応など，中枢神経系における様々な情報処理の過程で，各神経回路網の出力を制御することが知れている．細胞レベルでも，例えば前頭前野，線状体，脊髄の神経細胞においては，ドーパミンが興奮性及び抑制性伝達物質の放出，興奮性伝達物質に対する後シナプス応答，細胞の膜興奮性など様々な調節を行うことが示されている．
古くから視覚においては，心理物理実験などにより，背景の照明光強度の上昇に伴って物体視を行う観測者の光感受性が減少することが知れている．近年そのメカニズムの一つとして，明順応時に網膜内で放出される内因性ドーパミンが，網膜の出力に位置する神経節細胞へのシナプス入力を調節し，結果的に網膜から脳へのスパイク出力を抑制することが示されてきた．これに対し本研究では，神経節細胞自体に存在するドーパミン受容体を介しても，スパイク発火が抑制されることを実験的に示した．
実験では，キンギョもしくはラット網膜より単離した神経節細胞に穿孔パッチ(perforated-patch)法を適用し，discontinuousモードの膜電位/電流固定下で，スパイク発火メカニズムに対するD1型ドーパミン受容体活性の影響を調べた｡まず膜電流固定実験では，白色ノイズ様fluctuating電流の注入により誘発されたスパイクの発火数および個々のスパイク波形の立ち上がり電位傾斜（dV/dt）が，D1型ドーパミン受容体の選択的アゴニストであるSKF38393（又SKF81297）の投与により減少することが示された。また膜電位固定実験では，脱分極ステップにより活性化される電位依存性Na＋電流の振幅が，SKF38393により減少することが示された。８Br-cAMP（膜透過性cAMP）及びSp-5,6-DCl-cBIMPS (PKAの選択的活性物質)もNa＋電流振幅に対し同様の効果を示した。さらにSKF38393は，スパイク発火の閾値よりも低い電位（sub-threshold potential）におけるNa＋チャネルの不活性化速度(rate of entry into inactivation)を加速し，また活性化後のチャネルの回復速度（rate of recovery from inactivation）を減速させることが分かった。これら電位依存性Na＋電流のキネティクスの変化により網膜神経節細胞におけるスパイク発火の抑制が説明されることを，NEURONを用いた計算機シミュレーションにより確認した。さらにこうしたドーパミンによるスパイク抑制は，スパイク発火の再現性及び発火タイミングの精度を変化させることなく起こることが分かった．
〔以上は，カリフォルニア大学デイビス校へのポスドク留学時にAndrew ISHIDA教授のもとで行った研究結果です．〕
2005年10月13日
"Orbitofrontal cortical IL-1β mechanisms in the homeostatic regulation"
○Balázs Lukáts*, Róbert Egyed, Szilárd Papp, Gábor Takács, Csaba Szalay, László Lénárd and Zoltán Karádi
Institute of Physiology and Neurophysiology Research Group of the Hungarian Academy of Sciences, Pécs University, Medical School, Pécs, Hungary, H-7624
*Present address: Department of Brain Science and Engineering, Kyushu Insitute of Technology, Japan
The present experiments were designed to elucidate the various homeostatic effects of direct orbitofrontal cortical administration of IL-1β. Short- and long-term food intakes (FI), water intakes and body temperature (BT) were measured before and after a bilateral microinjection of IL-1β (with or without paracetamol /IL-1β+P or P/ pretreatment) into the orbitofrontal cortex (OBF) of Wistar rats, and the effects were compared with those found in vehiculum-treated and i.p. injected IL-1β, IL-1β+P or control rats. In addition, blood glucose levels (BGLs), along a glucose tolerance test, and plasma concentrations of insulin, leptin, cholesterol, triglycerides and urate were determined in cytokine treated and control animals. Similar to consequences of the peripheral (i.p.) administrations, direct OBF microinjection of IL-1β remarkably reduced short-term food intake in food deprived animals. In the long-term FI, however, there was no significant difference among the groups. Orbitofrontal cortical cytokine microinjection, similar to the i.p. administration, was followed also by a significant raise in BT. Pretreatment with P failed to influence the anorexigenic and hyperthermic effects of the centrally administered IL-1β. The sugar load led to a diabetes-like prolonged elevation of BGL in the cytokine treated rats. Following cytokine microinjection, plasma levels of insulin and that of triglycerides were found decreased, whereas that of uric acid increased. In extracellular single unit recording studies, using the multibarreled microelectrophoretic technique, high proportion of OBF neurons were shown to change their firing rate in response to the microelectrophoretically administered cytokine. An overwhelming majority of these IL-1β sensitive neurons were also responsive to microelectrophoretically applied D-glucose, i.e., proved to be the elements of the central glucose-monitoring neural network (GMNN). The present findings confirm that neocortically organized IL-1β mediated adaptive reactions through the orbitofrontal cortical GMNN play important roles in the maintenance of body homeostasis.
UP2005年12月8日
「カエル味神経応答に対する浸透圧効果；拡散電位による味神経応答の増強と抑制」
吉井 清哲
九州工業大学大学院生命体工学研究科脳情報専攻
味物質は、味物質受容体を刺激すると同時に、舌表面の浸透圧を増加する。すなわち、味刺激は、二つの実験条件を同時に変える。味応答を生成しない物質、非味物質（ウレア、ショ糖）を使って浸透圧を制御し、カエル味神経応答の持続性成分に対する浸透圧の効果を調べた。味刺激溶液の浸透圧が600 mOsm以上になると、味神経応答は修飾を受けた。たとえば、500 mM NaClに対する応答を増強し、1 mM CaCl2に対する応答を抑制、30 mM CaCl2に対する応答を増強した。この浸透圧効果は、味蕾細胞間タイトジャンクションに生じる拡散電位によって説明できることを紹介する。
UP2005年8月25日
"Environmental contaminates and learning and memory function"
David O. Carpenter, M.D.
Institute for Health and the Environment University at Albany, Rensselaer, NY 12144 USA
Exposures to lead, methyl mercury and polychlorinated biphenyl (PCBs) are known to reduce the ability to learn and remember. Lead is the best studied of these agents, but the effects of the others appear to be similar. Upon prenatal or early life exposure all appear to reduce IQ by some 5-7 IQ points, and it is likely that these effects are irreversible. Thus these compounds act to simply shift to the left the IQ distribution curve, affecting equally individuals who would otherwise be very bright as well as those who would not be. While these actions have not been easy to detect in adults, except in a few situations of high occupational exposure, they have also been seen in aged adults. Some of the studies of very old adults have demonstrated that lead and PCBs have specific detrimental effects on learning and memory without decrements of other nervous system functions, such as visual perception. The mechanism(s) of these actions is not known. Lead and PCBs reduce long-term potentiation, an electrical response that can be studied in animal preparations and which appears to be one component of learning. In children these contaminates also reduce attention span, which may in turn affect learning.
Photo by Dr. Mizuno
2005年7月14日
「神経型一酸化窒素合成酵素(nNOS)ノックアウトマウスの攻撃性行動及び脳内モノアミン動態とNOSトリプルノックアウトマウスの開発」
柳原 延章
産業医科大学 医学部薬理学
大気汚染物質の１つと考えられていた一酸化窒素（NO）が、実は生体内のほとんどすべての組織に分布し、様々な生体機能（循環器系、免疫系、神経系等）の恒常性の維持に重要な役割を果たしている事が明らかとなってきた。このNOを合成する酵素（NO合成酵素：NOS）には、神経型（nNOS）・誘導型（iNOS）・内皮型（eNOS）の３種類の異なったアイソフォームが存在する。現在までに、各NOSを単独に欠損したシングル及びダブルNOS-/-マウスが作製され、NO研究において広く使用されている。今回発表しますのは、（１）nNOS-/-マウスにおける攻撃性行動と脳内モノアミン動態の変動と（２）ごく最近、私達の研究室で開発されたトリプルNOS-/-マウス（NOS完全欠損マウス）についての研究をご紹介したいと思います。
参考文献
Morishita T., Tsutsui M., Shimokawa H., Sabanai K., Tasaki H., Suda O., Nakata S., Tanimoto A., Wang K-Y., Ueta Y., Nakashima Y., Yanagihara N. Nephrogenic diabetes insipidus in mice lacking all nitric oxide synthase isoforms. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. in press.
2005年7月7日
「カエル視蓋における体性感覚入力」
○鶴留 一也，松本 修文
九州工業大学大学院生命体工学研究科脳情報専攻
カエル中脳表面にある視蓋は層構造を持つ中枢部位で、対側網膜からの直接の投射を表層側半分ほどの領域に受けており、主要な視覚中枢として機能している。視蓋における視覚情報処理については多くの研究があり、主に二つの行動、餌とりと逃避、の発現についての情報処理を行い、その結果を運動系へと出力している。カエルにおけるこれらの行動は視覚性行動と考えられ、視蓋における情報処理に関する議論は視覚を中心としたものに限られてきた。一方で他の種に目を向けると、鳥類の視蓋では音情報との相互参照による視覚・聴覚マッピングの調整が行なわれているということが分かっている。また哺乳類における相同器官の上丘では体性感覚、聴覚、視覚の間の相互作用がよく調べられており、音源定位、眼球運動などへの関連が示されている。無尾類の視蓋における視覚以外の感覚入力の作用を調べるために、坐骨神経刺激を体性感覚入力として、また視索刺激を視覚入力として適用し、その応答を視蓋において調べた。
視蓋全層から記録した電場電位に対するCSD解析の結果では、特徴的なsinkやsourceは得られなかった。細胞内記録により明らかになった体性感覚細胞の深さ分布では、深い層への入力が多く哺乳類などに見られる構造と一致していた。また抑制性の入力が過半数を占めた。応答潜時は抑制性応答の方が興奮性に比べ約5ms遅れる傾向にあった。坐骨神経刺激、視索刺激の両方に応じる細胞の応答潜時と過去の研究 (Nakagawa et al., 1997) の結果との対応から、坐骨神経からの入力は逃避行動に関する視覚入力に対して抑制性の影響を及ぼすことが示唆された。
参考文献Nakagawa H, Miyazaki H, Matsumoto N (1997) Principal neuronal organization in the frog optic tectum revealed by a current source density analysis. Vis Neurosci 14:263-275.
UP
2005年6月9日
「物体運動解釈の時空間ダイナミクス」
○井戸 喜英，花沢 明俊
九州工業大学大学院生命体工学研究科脳情報専攻
我々は、無数に解釈可能な視覚情報から、１つの安定した物体を認識している。このことは、視覚認識を神経力学系の収束プロセスと考えると、ある視覚情報に対し神経動力学的安定点が１つ存在していると考えることができる。多義的視知覚とは、この安定点が２つ以上存在する場合であり、有名な例として、Necker cubeやルビンの壺がある。これらの知覚は、ランダムに変化することが知られている。今回我々は、運動方向の知覚に注目し、多義的視知覚の動力学的性質について調べた。実験では、垂直軸方向と水平軸方向の２つの安定点が存在する運動刺激（曖昧な刺激）を用いた。この刺激は、刺激条件により知覚される運動方向に影響を与えることが容易であり、例えば、この刺激を横に３つ並べて同時に提示すると水平方向に知覚され易くなる。この刺激と必ず垂直軸方向あるいは水平軸方向に知覚される運動刺激（明確な刺激）を用いて、注視点付近に提示した曖昧な刺激の運動方向が、周辺に提示される刺激の配置条件と各々の刺激の提示タイミングにより、どちらの方向に動いて知覚されるかを調べた。空間的配置の影響は、中心の刺激と周辺の刺激の提示タイミングが同時の際に強く見られ、その影響は、周辺の刺激を先に提示するでは長く残っていたが、周辺の刺激を160ミリ秒遅れて提示するとほとんど見られなかった。時間的性質は、明確な刺激を曖昧な刺激より160ミリ秒から10秒先に提示することで調べた。曖昧な刺激の運動は、先に提示した明確な刺激の運動方向と同軸方向に知覚され、その影響は、1秒以内で強く、1-5秒で残っており、10秒以上でも影響が見られた。また、この影響は明確な刺激を注視点から変化させても違いが見られなかった。これらの結果は、運動方向の認識には、周りの物体の空間的配置と時間的に先に運動した物体の運動方向が影響することを示しており、運動方向認識プロセスには、空間的に広い領域と時間的に長いプロセスが関与していることを示唆している。
UP2005年6月2日
「CA3神経回路網のθリズムによるSTDPシナプスの強化と維持：海馬モデル」
○林 初男，島田大祐，吉田基治，立野勝巳
九州工業大学大学院生命体工学研究科脳情報専攻
シナプス荷重がシナプス前細胞と後細胞のスパイクのタイミングに依存して変化することが，海馬や新皮質で明らかにされている．このようなシナプスの可塑的変化は，spike-timing-dependent plasticity (STDP) と呼ばれており，20ms程度のタイムウインドウ内でシナプス前細胞がシナプス後細胞より早く発火するとシナプス結合は増強され，逆の順序で発火すると抑圧される．一方，海馬CA3領野は複雑な時空活動を自発的に起こすことができ，フィールド電位としてはθ周波数のリズム活動が観測される．このCA3領野の時空活動はCA1領野に投射されるので，主にスパイクタイミングに依存してシナプス荷重が変化するのであれば，シャファー側枝シナプスの荷重はSTDPルールに従って常に変化することになる．換言すれば，ある記憶パターンがシナプス荷重の空間分布として蓄えられていても，シナプス加重は時間とともに変化し，場合によっては記憶パターンが崩れてしまうことも考えられる．
本セミナーでは，海馬神経回路網モデルを用いて，CA3神経回路網のθリズムがSTDPルールに従うシャファー側枝シナプスの強化や維持にどのように寄与するのか，シナプス荷重の空間分布は維持されるのか，などについて議論する．
UP2005年5月12日
「フロン代替化合物である1-ブロモプロパンの中枢作用―『直接作用』から『脳の発達への影響』を考える」
○笛田 由紀子
産業医科大学 産業保健学部 第１生体情報学
1-ブロモプロパン（以下1-BP）はフロン代替化合物の一つとして産業界で多く使われていますが，最近，中枢神経作用と思われる愁訴・検査結果が労働者に出ていることが報告されてきています． 労働の現場においては，1-BP の許容濃度については10ppmが提案されているが本邦ではまだ決定されていません．動物実験で生殖毒性や末梢神経への影響が報告されています．我々研究グループでは，これまで成獣雄性ラットを用いた吸入曝露実験で海馬フィードバック抑制の減弱について報告してきました(JOH 2000, 2002; Neuroscience 2004)．一方，卵母細胞に発現させたGABA受容体や海馬スライスへの1-BP直接投与では，GABA受容体介在フィードバック抑制が亢進され麻酔作用が示唆されました．最近GABA系は脳の発達に関与していることが示唆されており，胎生期に1-BPに曝露された場合の次世代への影響を明らかにする必要がでてきました．今回のセミナーでは，胎児曝露の実験結果をご紹介してご意見をいただき，今後の研究の参考とさせていただければと思います．
UP2005年4月14日
「人間の奥行き知覚の異方性と個人差に関する心理物理学的研究：視差と遠近法的手がかりに対する重み付けと立体視力」
○佐藤 雅之
北九州市立大学 国際環境工学部 情報メディア工学科
我々人間はさまざまな奥行き情報を統合することにより物体の３次元形状を知覚している．両眼視差と遠近法的な手がかりはその中でも重要なものとして挙げることができる．前回のセミナーにおいて，視差情報に対する遠近法情報の重み付けwpが個人によって大きく異なっており，それが奥行き対比効果などの錯視現象における個人差と関係の深い重要なパラメータであることを報告した．ここでは，さらに立体視力の個人差を測定した最近の実験の結果を報告する．立体視力とwpおよび奥行き対比効果の錯視量には興味深い関係があることが明らかになった．立体視力の低い人がいることは以前からよく知られており，今回の実験でもそのような被験者群の存在が確認された．このグループは遠近法情報依存の特性（wp≒1）を示したが，立体視力が高いグループではwpの値は広い範囲に分布した．視差重視型（wp<0.4）の被験者群は奥行き対比効果の錯視量が小さかったが，立体視力が高いにもかかわらず，wpが1を超える数値を示す被験者群が存在し，このグループが最も大きな奥行き対比効果を知覚することが明らかになった．これは，両眼視差が従来から考えられてきた奥行き手がかりとは質的に異なる効果をもち，個人によりそれぞれの効果に対する感度が異なることを示唆している．
UP