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研究内容(一般の方)

運動と感覚:手足の感覚は脳内でどのように処理されているのか?

イチローのあざやかなバッティングは、脳が我々の手足を巧みに操っている良い例です。その際、動いている手足からは動きのスピード・力・位置などの信号が随時脳に送られてきます。生物は、このような感覚信号をどのように使って運動をコントロールしているのでしょうか。私たちは、運動時の感覚情報処理の脳内機構について、細胞レベルで明らかにします。

ヒトを含めたほ乳類の皮膚・筋肉・関節には触覚・痛覚・力感覚・位置感覚など様々な信号を受容し脳に伝える細胞(受容器)が多数存在しています。そして、我々が四肢を動かす際、それらは現在の身体の状態を刻一刻と脳に送り続けています。たとえば野球選手がボールを打つ際には瞬間的に数トンもの力がバットを介してこれらの受容器に伝わり、受容器はその活動を極度に大きくすることによって、脳に大きな衝撃を伝えていると考えることができます。では、我々の脳はこの時々刻々と変化する受容器からの情報を、どのように利用して運動をコントロールしているのでしょうか?イチロー選手のような巧みなバッティングはこれら受容器からの情報をどのように利用して調節されているのでしょうか。

この「随意運動の制御における末梢感覚の役割」は古くから関心のもたれていた研究課題であり、さまざまな仮説が提案されてきました。そして、多くの場合、運動中に脳が感じる末梢感覚の強さが一時的に低下することから、受容器からの末梢感覚をあまり用いないで運動が制御されているのではないか、と考えられてきました。しかし、それを実験的に確実に証明する方法がなく、その実態は不明のままでした。

我々はこの問題を解決するため、サルに手首の屈曲伸展運動を行わせるよう訓練し、その際に皮膚や筋の受容器を人工的に刺激して、運動時に皮膚感覚がどのように用いられるのかを調べています。このような感覚は中枢神経系の中では脊髄に最初に到達します。そこで、脊髄にある神経細胞の活動をサルの運動中に記録する実験技術を開発し、それらの細胞の皮膚刺激への反応を調べました。

皮膚刺激に対する脊髄細胞の反応は、サルが運動を行っている最中に低下していました。大脳皮質一次感覚野の反応も同様に低下していました。これは予想通りの結果です。この結果はサルが皮膚感覚にあまり依存しないで運動をコントロールしている事を示しており、これまでの仮説を実証する実験結果です。しかし、それだけでなく2つの驚くべき発見がありました。第一に、皮膚感覚が「シナプス前抑制」という強力な抑制メカニズムによってもたらされている事が明らかになりました。つまり、皮膚感覚の一部は末梢神経の段階ですでに抑制されており、脳や脊髄の神経回路に到達していなかったのです。この抑制によって、我々の脳や脊髄は手足からの感覚信号に惑わされることなく意図した運動を計画・実行できるのでしょう。第二に、この「シナプス前抑制」が実は運動を計画・実行する脳自身によって引き起こされている事が明らかになりました。つまり、これから行う運動のコントロールに皮膚感覚が重要でない場合、脳は自ら皮膚神経に働き掛けてその活動を抑制します。このような仕組みによって、受容器からの不要な情報に惑わされることなく意図した運動を円滑に行うことができるのです。

では、脳は末梢神経からの情報を全く使わないで運動を制御しているのでしょうか?そんなことはないはずです。この「シナプス前抑制」を用いて、行おうとする運動に必要な感覚情報を選んでいるのではないかと思います。では、どのような感覚情報が運動制御に使われているのでしょうか?この問いに答えるために、私たちは様々な種類の末梢神経からの入力が、運動のどのような局面で「シナプス前抑制」を受けるのか、詳細に調べています。骨の折れる仕事ですが、随意運動制御の神経機構を明らかにするためには、避けて通ることのできない、大切な問題だと思っています。

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