理研、皮膚感覚を知覚する脳の神経回路メカニズムを解明

　理化学研究所の村山正宜チームリーダーらの国際共同研究グループは、皮膚感覚を知覚する脳の神経回路メカニズムを解明した。

　皮膚感覚に関する従来の仮説では、皮膚などの感覚器からの外界入力（ボトムアップ入力）と、注意や予測といった脳内活動による内因性の入力（トップダウン入力）が脳のある領域で連合することで皮膚感覚が知覚できると言われていたが、実際の皮膚感覚を十分に説明できるものではなく、皮膚感覚の知覚を形成するための基本神経回路とそのメカニズムは分かっていなかった。

　今回の研究では、膜電位イメージングを大脳新皮質に対して行った。その結果、マウスの後肢を刺激すると、まず後肢に対応した大脳新皮質の第一体性感覚野（S1）の領域が活性化し、その後、第二運動野（M2）が活性化することが分かった。

　次に、神経活動を抑える薬をS1またはM2にそれぞれ投与したところ、S1を抑制した場合はM2の活動が、逆にM2を抑制した場合はS1の遅い活動（遅発性神経活動）が抑制された。これらの結果は、後肢からの情報はS1→M2→S1という流れで、皮膚感覚が外因性ボトムアップ入力としてS1から高次脳領域であるM2に送られた後、再びS1へ「外因性のトップダウン入力」としてフィードバックされる反響回路が存在することを示している。

　さらに、四角い箱の床面に紙やすり（ザラザラ）と、それを裏返した面（ツルツル）を半分ずつ敷き、その箱の中にマウスを置き、マウスの脳に小型光刺激装置を設置して外因性トップダウン入力を光刺激で抑制できるようにした。その結果、光刺激をしないマウス群では、ザラザラ、またはツルツル床のどちらかに滞在時間が偏るが、光刺激をしたマウス群では、その偏りが減少した。

　また、Y字迷路の分岐点の手前の床面でザラザラ、またはツルツル床を提示し、ザラザラなら右方向、ツルツルなら左方向に進むよう訓練した後、光刺激の有無が正解率に与える影響を調べたところ、光刺激をしないマウスは約80%の正解率を示したが、光刺激をしたマウスの正解率は約65%まで減少した。つまり、M2からS1への外因性トップダウン入力が、正常な皮膚感覚の知覚に必須であると言える。

　これらの結果から、正常な皮膚感覚の知覚には、S1への外因性ボトムアップ入力だけでなく、その後のM2からS1への外因性トップダウン入力が必須であることが分かった。また、今回発見された神経回路は、従来の回路とは異なり、注意をしなくても知覚できる回路として利用されている可能性があり、脳は2つの異なる神経回路を状態によって使い分けている可能性がある。

　今後は、詳細にS1への外因性トップダウン入力のメカニズムを明らかすることで、失認の改善や老齢による五感の知覚能力の低下予防・改善の手がかりを得ることが期待される。

　なお、この内容は「Neuron」に掲載された。論文タイトルは、「A Top-Down Cortical Circuit for Accurate Sensory Perception」。