ｺﾞｷﾌﾞﾘ前大脳の神経配線地図の作成

ｺﾞｷﾌﾞﾘ前大脳の神経配線地図の作成

著者

水波 誠

ゴキブリ前大脳の神経配線地図の作成

(研究課題番号12640658)

平成12年度∼平成13年度科学研究費補助金

[基盤研究(C)(2)]研究成果報告書

平成14年3月

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研究代表着 水波  誠

(東北大学生命科学研究科)

はしがき 昆虫の脳は､脊椎動物とは異なる生活様式に最適化設計された｢もう1つの｣情報 処理システムである｡本研究では､ワモンゴキブリを材料に昆虫の脳の全債域の配線 を明らかにするための第一歩として､前大脳の基本配線様式の解明を目指した｡前大 脳はキノコ体や中心体などの高次連合中枢とその関連飯域から成り､昆虫の脳の統合 機能の中心を担う債域である｡研究方法としては､前大脳の下降性ニューロンのニッ ケル･コバルト混合液による逆行性染色､個々のニュ-ロンへの蛍光色素の細胞内注 入､染色したニューロンの形態の共焦点レ-ザ顕微鏡による3次元再構築などを併用 した｡ ゴキブリの下降性ニューロンの前大脳内分布を詳細に調べた結果､下降性ニューロ ンの樹状突起が分布する簡域(前運動額域)は､前大脳の極めて広い範囲を占めてい ることが明らかになった｡樹状突起が分布していない領域は視葉､触角葉､キノコ体､ 中心体､側葉の中心領域(側角)のみに限られていたoそれらの結果と従来の研究成 果を総合した結果､脳の感覚中枢から胸部神経節の運動中枢に至る神経回路には､感 覚中枢から運動中枢に直接伝える経路や､種々の前運動中枢を経る経路が多数並列に 配置されていることがわかった｡さらに､感覚中枢からキノコ体や中心体などの連合 中枢を通る経路の出力が､前運動中枢に投射し､部分的には階層的な経路を形成して いることがわかった｡他の昆虫での研究成果から､直接的な経路は､姿勢制御反応や 逃避行動を､前運動簡域を介する経路は多数の感覚を統合しての姿勢制御反応や本能 的行動それぞれ担い､連合中枢から前運動中枢への階層的な投射経路が経験による行 動の可塑性を担うと考えられる｡驚くべきことに､このような並列的なおよび部分的 に階層的な回路構築は晴乳類の脳の感覚運動経路の基本構築と似ている｡昆虫の晴乳 類の脳の基本設計の驚くべき収欽進化は､動物が果たすべき行動課題の共通性や､そ のような共通課題遂行のための行動制御システムの進化過程における類似性を反映し たものであると推察された｡ さらに､前大脳側葉の入出力様式の解明を目指した研究を行った｡ゴキブリの側角 のニューロンに微小電極を刺入してその応答を細胞内記録した｡記録後､細胞に蛍光 色素を注入し､共焦点レ-ザ顕微鏡でニューロンの形態を観察し解析した結果､触角 葉からの投射ニューロンやキノコ体からの投射ニューロンが､側葉内で極めて複雑な､ しかし秩序だった終末様式を持つことが明らかになった｡この発見は､側葉には秩序 だった構造はないとの従来の定説を覆すものであり､今後､更に側案内の神経構築の 詳細を更に明らかにするための重要な手がかりとなるものである｡ これらの研究成果は各種学会で報告するとともに､一部は原著論文として既に発表

-1-したo 残りは現在､原著論文として投稿中､または取りまとめ中である. おわりに､本研究を行うに当たり御支援をいただいた各位に感謝の意を表する次第 である｡ 平成14年3月 東北大学生命科学研究科 助教授 水波誠 研究代表着 水波誠(北海道大学電子科学研究所助教授(平成1 2年度)､ 東北大学生命科学研究科助教授(平成1 3年度)) (金額単位:千円)

研究組織

研究経費

研究発表

1) Sakura M. and MizunamiM･ (2001) Olfactory leaming ar)d memory in the cockroach

Perlilaneta americana. Zool. Sci. 18: 21-28･

2) Matsumoto Y. and Mizunami M･ (2002) Temporaldeterminants of long-term retention

of olfactory memory in the cricket Gryllw bimaculatw･ J･ Exp･ Biol･ (ln press)･

3) Matsumoto Y. and Mizunami M. (2002) Lifetime olfactory memory in the cricket

Gryllus bimaculatus. J. Comp･ Physiol･ (in press)

(2)口頭発表

1)岩崎雅行､水波誠､伊東網男､西川道子､横張文男､ゴキブリキノコ体の階層 的単位構造の形態学的解析､日本比較生理生化学会大会 2000年8月3日､山口

2)松本幸久､水波誠､フタホシコオロギの匂いと水の古典的条件づけと記憶過程､ 日本比較生理生化学会大会 2000年8月3日､山口 3)佐倉緑､岡田龍一､水波誠:ワモンゴキブリの匂い識別能力 日本神経科学学会､ 2000年9月4日､横浜 4)小林夕子､水波誠 ワモンブキプリの匂いと味の古典的条件付け､日本動物学会､ 2000年9月23日､東京 5)岡田龍一､佐倉緑､水波誠 ワモンゴキブリの脳の下降性ニューロンの分布と入 力債域､日本動物学会､ 2000年9月23日､東京 6)山崎吉之､西野浩史､水波誠 ゴキブリの前大脳側葉ニューロンの同定､ El本動 物学会､ 2000年9月23日､東京 ‥7)佐倉緑､岡田龍一､水波誠 ワモンゴキブリの匂い識別能力､日本動物学会､ 2000 年9月23日､東京 8)松本幸久､水波誠 フタホシコオロギの驚異的な喚覚学習能力､日本動物学会､ 2000年9月23日､東京

9) Y. Matsumoto and M. Mizunami, Olfactory leaning in crickets･ TTle 18th Tsukuba Insect Science Symposium, October 17th, 2000, Tsukuba (Invited lecture)･

10) M. Mizunami, Y･ Matsumoto, Elementary and context-dependent olfactory leaming in

crickts. ne 6th lntemational Congress of Neuroetho】ogy, 2001年7月30日､ボン(招待

講演)

ll) M. Sakura, A. Okada, M･ Mizunami, Olfactory leaming and discrimination in the American cockroach. ne 6th lnternationalCongress ofNeuroethology. 2001年7月30日､

ボン

12) 良. Okada, M. Sakura, M. Mizunami, Dis加butions of sonata and dendritic

arborizations of descending brain neurons of the cockroach･ 刀le 6th lntemational Congress of

Neuroethology, 2001年7月30日､ボン

13) Y Matsumoto, M. Mizunami, Olfactory memory phases in the cricket Gryllus

bimaculatus. The 6th lntemationalCongress ofNeuroethology. 2001年7月30日､ボン

14)西野浩史､西川道子､水波誠､横張文男 ゴキブリの湿度･温度受容性介在ニ ューロン､日本動物学会､ 2001年10月7日､福岡 15)西川道子､山崎書之､西野浩史､横張文男､水波誠 キノコ体傘部入力ニュー ロンと感覚モダリティー､日本動物学会､ 2001年10月7日､福岡 16)山下新吾､西野浩史､水波誠 ゴキブリの脳のキノコ体出力ニューロンの形態 と匂い応答､日本動物学会､ 2001年10月7日､福岡 17)松本幸久､青沼仁志､水波誠 No-cGMP合成系阻害により引き起こされるフタ

-3-ホシコオロギの記憶障害､日本動物学会､ 2001年10月8日､福岡

18)松本幸久､野地澄晴､水波誠 フタホシコオロギの匂い学習と記憶､驚異的な 喚覚学習能力､日本動物学会関連集会｢動物の適応戦略における記憶の生物学的基盤｣､

2001年10月6日､福岡(招待辞漬)

19) M･ Mizunami, Basic design of the insectメMicrobminモ, InternationalSymposium on

NeuralOrganization and Plasitisity in the Microbrain System, 2001年10月14日､筑波

20) H･ Nishino, S･ Yamashita, Y･ Yamazaki, M･ Nishikawa, F. Yokohari, M. Mizunami,

01igoglomemiar projection neurons in the cockroach bmin, lntemationalSymposium on Neural

Organization and Plasitisityin theMicrobrain System, 2001年10月14日､筑波

21) M･ Nishikawa, H･ Nishino, M･ Mizunami, F･ Yokohari, hput neurons in calyces of

mushroom bodies of the cockroach bmin･ lnternationalSymposium on NeuralOrganization and

Plasitisity inthe Microbrain System, 2001年10月14日､筑波

(3)出版物 1)水波誠､木村哲也(2002)微小脳の記憶システム(分担執筆)､桑沢清明･冨 永佳也･山別室夫編､もうひとつの脳∼微小脳の研究入門､培風館(印刷中)

研究成果

2) Ryuichi Okada, MidoriSakura, and Makoto Mizunami. Distribution of descending

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