大脳皮質機能円柱内及び機能円柱間局所回路の動作機構

大脑皮层功能柱内部和功能柱之间局部回路的运行机制

基本信息

批准号：
15029231
负责人：
姜英男
金额：
$ 4.1万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

大脳皮質の体性感覚野及び視覚野においてよく知られている機能円柱構造は、感覚情報処理における基本的な機能単位として考えられている。円柱構造の最も顕著な例の一つは齧歯類一次体性感覚野内のバレル野である。バレル野第IV層には、特有の樽状つまりバレル構造が見られ、髭1本1本からの入力に対応して円柱が存在することが知られている。対照的に、第一次味覚野を含む島皮質においては、円柱構造が存在するか否かは未だ明らかではない。本研究では、島皮質における円柱構造の存在の可能性を検証すべく、島皮質とバレル野での興奮伝播様式にどの様な時間的・空間的差異が認められるかを明らかにするため、膜電位感受性色素を負荷した幼若ラット大脳皮質スライス標本を用い、第IV層に短パルス微小電気刺激を与え、興奮伝播の様子を光学的膜電位測定によって観察した。島皮質においても、バレル野とほぼ同様に、先ず第IV層より上方及び下方へと興奮が垂直伝播し、II/III層に達した興奮はそこから隣接する左右両側のカラムへと水平伝播した。このことから、島皮質における機能円柱の存在が示唆された。標準細胞外液灌流下で両皮質の興奮伝播を比較すると、バレル野は島皮質に比べ第II/III層のより表層へと興奮が到達しており、第II/III層における興奮の水平伝播の範囲及び強度も大きかった。GABA作動性抑制ニューロンの作用を検証するため、GABA_A受容体拮抗薬bicuculline 50μMを灌流投与し、興奮伝播パタンに対する影響を観察した。バレル野では、bicuculline非投与時に比べ興奮強度は上昇し、水平及び垂直的な伝播範囲が拡大し、興奮の時間経過も大幅に延長した。しかし、島皮質ではbicuculline投与による水平伝播範囲の拡大が顕著ではなかった。これらの所見から、バレル野と島皮質において、GABA作動性抑制性ニュー一ロンによる興奮伝播の制御様式に差異があること、及び、錐体細胞の軸索の広がりに差があることが示唆された。そこで、両皮質の第II/III層錐体細胞に色素を注入し形態を観察したところ、バレル野では水平方向へ広範囲に広がる軸索を持つのに対し、島皮質細胞の軸索の水平的な広がりは小さいことが明らかとなった。以上の結果から、バレル野では第II/III層錐体細胞の軸索が水平方向に広く伸びており、水平的な興奮伝播を制御するために、側方抑制機構が存在していること、一方、島皮質では軸索の水平的な広がりに乏しく、側方抑制機構の働きも小さい可能性が示唆された。

大脑皮层体感和视觉皮层中众所周知的功能柱状结构被认为是感觉信息处理的基本功能单元。柱状结构最突出的例子之一是啮齿动物初级体感皮层内的桶状区域。桶状场第四层显示出独特的桶状结构，并且众所周知，柱的存在是为了响应每个晶须的输入。相比之下，目前还不清楚岛叶皮层（包括初级味觉皮层）中是否存在柱状结构。在本研究中，为了验证岛叶皮质中存在柱状结构的可能性，我们利用加载了负载的幼年大鼠大脑皮层切片研究了岛叶皮质和桶状区的兴奋传播模式的时间和空间差异。电压敏感染料，对IV层施加短脉冲微电刺激，并通过光学膜电位测量观察激发的传播。在岛叶皮层中，兴奋首先从第四层垂直向上和向下传播，然后，到达第二层/第三层的兴奋水平传播到相邻的左柱和右柱，就像桶区一样。这表明岛叶皮质中存在功能柱。比较标准细胞外液灌注下两个皮质中的兴奋传播，我们发现桶区中的兴奋比岛叶皮质中到达更多的II / III层浅层，并且II / III层中兴奋的水平传播范围。而且强度也很大。为了检查 GABA 能抑制神经元的作用，我们施用 50 μM GABA_A 受体拮抗剂荷包牡丹碱，并观察其对兴奋传播模式的影响。在桶区，与未施用荷包牡丹碱时相比，激发强度增加，水平和垂直传播范围扩大，激发时程显着延长。然而，在岛叶皮质中，荷包牡丹碱给药并未显着扩大水平扩散范围。这些发现表明，GABA 能抑制神经元的兴奋传播控制模式存在差异，桶区和岛叶皮质 Ta 中锥体细胞轴突的传播也存在差异。当我们将染料注射到两个皮质的II/III层锥体细胞并观察其形态时，我们发现桶状区域具有在水平方向上广泛传播的轴突，而岛叶皮质细胞的轴突具有水平方向上传播的轴突。很明显，价差很小。上述结果表明，在桶状区，II/III层锥体神经元的轴突在水平方向广泛延伸，存在控制水平兴奋传播的侧向抑制机制。不水平扩散，表明侧向抑制机制的功能可能较弱。