大阪市立大学医学部 神経生理学教室(第2生理学)


研究

 私達の研究室では、記憶に重要な海馬とその関連領域を研究対象にして、脳が情報を処理・伝達・貯蓄・検索するメカニズムをネットワークレベルで理解したいと考えています。メカニズムの候補としては神経発火のタイミングと同期性、正確な神経発火の順番、オシレーションによるセルアセンブリの集団化などが想定されています。これらの候補の検証は、複数の脳領域から多くの神経細胞の神経発火を同時に高時間分解能で観察して初めて可能になります。

 そこで私達は行動中・睡眠中のマウスとラットを用いて、海馬・扁桃体・大脳皮質・視床・大脳基底核などからシリコンプローブなどの大規模細胞外記録法を用いて同時に多くの神経細胞の発火とフィールド電位を記録し、神経細胞・脳領域がどのように相互作用しながら記憶や認知を生み出すのかを調べていきます。また光遺伝学と大規模細胞外記録法を組み合わせて、様々な神経細胞種・神経調節系が記憶・知覚や脳のリズム形成にどのような役割を果たしているのかを研究します。さらに脳の情報処理が意識・感情・ストレス・脳状態によりどのように変化するのか、睡眠中の脳活動がどのように記憶や学習の基盤となるのかを解明したいと思っています。


光で探る局所回路の動作原理

 光遺伝学の発達により、光感受性のイオンチャネルやイオンポンプを特定の神経細胞に発現させて特定の波長の光を当てることで、特定の神経細胞の活動を人為的に任意のパターンで操作できるようになりました。私達は光遺伝学と大規模細胞外同時記録法を組み合わせて、脳の局所回路の動作原理を明らかにしたいと考えています。


<光遺伝学と大規模細胞外記録法を用いた私達の実験例>

 私達が作成したシリコンプローブ・光ファイバーアセンブリ(A)とその模式図(B)。 シリコンプローブの4本のシャンクそれぞれに光ファイバーを取り付け、最小限のパワーの光を使って記録部位のごく近傍の細胞のみの神経活動を制御できる。 (C)同一シャンクから1つのChR2陽性細胞(Cell 10)と16個のChR2陰性細胞を同時記録したもの。それぞれの細胞のPSTH(peri-stimulus time histogram, 左)とスパイクの波形(右)を示す。PSTHの2本の縦線(0~5ミリ秒)は青色光で刺激した時間を示す。光刺激によって短い潜時(約1ミリ秒)で発火頻度が著しく上昇することを指標にして、ChR2陽性細胞を同定できる。 参考文献 Stark et al., 2012, Journal of Neurophysiology 108, 349-363


上記の方法を用いて、私達は2つのことを行なっています。

 まず、従来の細胞外記録法の1つの大きな問題は、記録している細胞の種類がわからないことでした。ChR2などを細胞種特異的に発現させて光刺激することにより、細胞種特異的な細胞を同定した上で大規模細胞外記録を行っています。

 さらに、細胞種特異的に細胞の活動を人為的に操作しつつ、その近傍の細胞やネットワークの振る舞いを観察することで、局所回路における細胞種特異的な役割を調べています。