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報道発表資料  2013年10月9日  福祉保健局

自分が何をしようとしているのかを忘れない脳のしくみを発見
行動のモニタリングに前頭前野と大脳基底核をつなぐ回路が関与

 (公財)東京都医学総合研究所の佐賀洋介研究員(現、フランス国立科学研究センター研究員)、橋本雅史研究員、星英司副参事研究員らは、「自分が何をしようとしているのかを忘れない」ための脳のしくみを発見しました。
 「鶏は三歩歩けば忘れる」といわれますが、私たちも「何かをするために歩き始めたけれども途中で忘れてしまった」というような度忘れをしばしば経験します。こうした例は、行動を正しく完了させるためには「自分が何をしようとしているのかを忘れない」ことが重要であることを示します。これは、「モニタリング機能」と呼ばれ、人間で大きく発達した高次脳機能(※1)の一角をなします。加齢や脳損傷によって高次脳機能に不全が生じると、このモニタリング機能にも問題が生じます。その結果、行動の目的(ゴール)を途中で忘れてしまうため、いつになってもそれを達成することができなくなってしまいます。
 このように、重要な脳機能であるにもかかわらず、モニタリング機能を支える神経ネットワークは不明でした。そこで本研究では、この機能を必要とする行動課題を行っているサルから神経活動を記録することによって、それを反映する活動を探すことを行いました。その結果、高次脳機能の中心である前頭前野に加えて、これと密接にやり取りをしている脳深部の領域(大脳基底核)が行動ゴールのモニタリング機能に深く関与していることが明らかとなりました。この発見は、高次脳機能の神経基盤の解明、ならびに、高次脳機能に不全がある際の病態解明にとって重要な手がかりとなります。
 この研究成果は、米国神経科学学会誌「The Journal of Neuroscience」10月9日(米国東部時間)付オンライン版に掲載されました。

1 研究の背景

 前頭葉の最前部に位置する前頭前野(図1、水色部分)は、大脳基底核とループ回路を形成しており(図1、オレンジ→)、こうしたやり取りが様々な高次脳機能の達成において重要な役割を果たすと考えられます。ゴールを達成するための行動では、動作実行時にこれから達成しようとするゴールを忘れずに保持すること、即ち、行動ゴールをモニタリングすることが必須となりますが、これは高次脳機能の重要な要素です。そこで、本研究では前頭前野が大脳基底核と形成するループ回路に注目し、この回路が行動ゴールのモニタリングに関与する可能性を検討しました。

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図1 前頭前野と大脳基底核をつなぐループ回路

2 研究の概要

 まず、新しい認知行動課題を開発しました(図2)。これは2つの課題からなっており、空間ゴール課題(図2、上段)では2つの物体のうち左ゴールまたは右ゴールに到達することによって、一方、物体ゴール課題(図2、下段)では丸ゴールまたは三角ゴールに到達することによって、ジュースがもらえました。このジュースの量は一定時間後に減少しはじめるのですが、ゴールを切り替えることによって元の量のジュースを再び得ることができました。したがって、効率的にジュースを得るためには自身で選んだゴールを常にモニタリングし、ジュースの量に応じてゴールを選び分けることが求められました。実際、サルはジュース量の減少をとらえて速やかに別のゴールを選んでいたことから、行動ゴールを積極的にモニタリングしていることが示唆されました。
 続いて、サルがこの課題を行なっている最中に、大脳基底核の出力部である淡蒼球から細胞活動を記録したところ、図3に示したような細胞活動が見出されました。「細胞1」は空間ゴール課題において、サルが右ゴール(青色)と左ゴール(赤色)を選んだ場合に活動が異なっておりました。一方で、「細胞2」は物体ゴール課題において、サルが丸ゴール(ピンク色)と三角ゴール(緑色)を選んだ場合に活動が異なっておりました。こうした活動パターンをもつ細胞は、動作実行時にゴールを反映していると見なされます。さらに、ゴールを反映する細胞は、大脳基底核のうち前頭前野とつながっている部分に多数見出されました。
 動作の実行時にゴールを反映する活動はこれまで前頭前野に報告されておりましたが、今回の研究で初めて大脳基底核にもその存在を見出すことに成功しました。今回得られた成果により、前頭前野と大脳基底核の双方がループ回路を通じて密接に連携することによって行動ゴールのモニタリングを達成していることが明らかとなりました。

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図2 行動課題

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図3 基底核の2種類の細胞活動。パネル上部に細胞活動の時点を下部に活動の頻度を示す。

3 展望

 我々の先行研究は、前頭前野―大脳基底核のループ回路が「行動の目的(ゴール)決定」と「動作選択」に関与することを明らかとしました。さらに本研究により、このループ回路が「行動ゴールのモニタリング」に関与することが分かりました。こうした発見により、前頭前野が大脳基底核と密接にやりとりすることによって高次脳機能が達成される実態が明らかになりつつあります。こうした知見を踏まえて研究を発展させることにより、ヒトで高度に発達した高次脳機能の神経基盤を前頭前野と大脳基底核にまたがるネットワーク上のメカニズムとして解明できるようになります。さらに、こうした深い理解は、加齢や脳損傷によって高次脳機能の不全が誘発された際に、広い神経ネットワークを視野に入れたかたちでその病態を理解するための貴重な手がかりとなります。

4 研究支援

 本研究は、JST 戦略的創造研究推進事業チーム型研究(CREST)「脳神経回路の形成・動作原理の解明と制御技術の創出」研究領域における研究課題「霊長類の大脳―小脳―基底核ネットワークにおける運動情報処理の分散と統合」(研究代表者:星 英司)、科学研究費補助金、玉川大学GCOEプログラムの支援を受けて行われました。

5 論文

 著者:Yosuke Saga, Masashi Hashimoto, Léon Tremblay, Jun Tanji, Eiji Hoshi
 (佐賀 洋介、橋本 雅史、トレンブレイ レオン、丹治 順、星 英司)
 タイトル:Representation of spatial - and object - specific behavioral goals in the dorsal globus pallidus of monkeys during reaching movement.
 (淡蒼球背側部における空間ゴールならびに物体ゴールの表現)
 掲載誌:The Journal of neuroscience : the official journal for the Society for Neuroscience
 (ジャーナル オブ ニューロサイエンス:米国神経科学学会誌)

用語説明

※1 高次脳機能
 記憶、注意、意思決定、行動計画とその遂行などの認知的な脳情報処理過程のこと。

問い合わせ先
(公財)東京都医学総合研究所前頭葉機能プロジェクト
 電話 03-6834-2373
(公財)東京都医学総合研究所事務局研究推進課
 電話 03-5316-3109

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