脳神経科学を社会へ還流する教育研究拠点　東北大脳科学グローバルCOE

拠点メンバー

虫明　元（神経生理学）

５年間の研究業績のまとめ

GCOEで新たに提案された身体性認知神経科学という分野は脳ー身体ー環境を動的システムの相互関係としてとらえて、高次認知機能を細胞レベルで理解することを目標にした新しい視点からの研究分野である。この分野の研究を推進するために、高次認知機能を身体運動特に手の運動さらに道具などを用いて環境へ働きかける行動制御ととらえて、高次運動野、前頭前野を中心に研究を進めてきた。特に脳における随意性、抽象的概念形成、問題解決、意思決定、運動制御などの機能を、神経生理学と神経工学、数理科学、さらに光遺伝学等の融合的な手法により機能解明することを目指して、GCOEで推進する横断的なアプローチを重視して、積極的に連携研究を行なってきた。

サルを用いた一連の研究からは前頭葉内側の補足運動野，前補足運動野は、手の順序制御ばかりか、時間間隔の生成や時間に基づいた行動制御に関わることが解明されてきた。またこのような神経細胞の時間表現を数理的に解析し、多数の神経細胞活動から成り立つ多次元空間中の軌跡として表現できることとそれが実際には低次元に表現でき、しかも相対時間を表していることを明らかにした。前補足運動野前方には、通常の単純化運動課題では活動しないが、複数の戦略を念頭に行動制御する際に初めて活動する新しい領域が見出された。また前頭前野の細胞は情報表現が動的に変化するが、この意義をアトラクターによる状態遷移と捉えて数理モデル的にその変化のメカニズムを理解できた。両手の順序動作で１６種類の順序を訓練し活動を記録すると、前補足運動野では符号化の仕方が、少数の順序動作を訓練した時と異なり、複数の変数次元での効率的な符号化を行なっていることが判明した。サルを中心とした研究以外にも、光遺伝学的手法を取り入れた共同研究を開始し、そのために必要な光刺激装置や記録システムの開発を生命科学研究科や医工学分野、さらに脳神経外科と協力して行なってきた。

代表的な論文

1. Matsuzaka Y, Akiyama T, Tanji J, & Mushiake H. Neuronal activity in the primate dorsomedial prefrontal cortex contributes to strategic selection of response tactics.(2012)　Proc Natl Acad Sci U S A. 2012 Feb 27 Epub ahead of print (in press)
2. Mita Akihisa, Mushiake Hajime, Shima Keisetsu, Matsuzaka Yoshiya & Tanji Jun (2009) Interval-time coding by neurons in the presupplementary and supplementary motor areas Nature Neuroscience 12:502-507
3. Shima K, Isoda M, Mushiake H & Tanji J (2007)Categorization of behavioral sequences in the prefrontal cortex Nature 445:315-8
4. Mushiake H, Saito N, Sakamoto K, Itoyama Y, & Tanji J. 2006 Activity in the lateral prefrontal cortex reflects multiple steps of future events in action plans. Neuron. 50:631-41.
5. Mushiake H., Inase M. & Tanji J. (1991)Neuronal activity in the primate premotor, supplementary and precentral motor cortex during visually guided and internally determined sequential movements. J. Neurophysiol. 66:705-718

出版・媒体