研究課題別中間評価結果

１.研究課題名

運動指令構築の脳内メカニズム

２.研究代表者

河野　憲二　（工業技術院　電子技術総合研究所　首席研究官）

３.研究の概要

　動物の滑らかで素早い運動がどのようにして実現されているかを明らかにするため、眼球運動系、上肢の到達運動を対象に、電気生理学的実験、脳活動の光計測、機能的MRIによる計測と計算論に基づく解析を組み合わせて以下の項目について研究を進めている；1) 追従眼球運動の逆ダイナミクス変換機構の解明、2) 輻輳眼球運動の神経機構の解明、3) 上肢到達運動制御の内部モデルの解明、4)　脳活動の光学的計測による運動制御機構の解明、5)　免疫組織化学的手法によるサル運動野の動的神経回路の解析

４.中間評価結果

４−１. 研究の進捗状況と今後の見込み

　追従眼球運動、輻輳開散運動などの反射運動、随意的上肢運動の制御など、脳がどのような計算理論に従って働くかを理論モデルと実験によって明快に解いてゆく鮮やかさに驚嘆する。動物の滑らかで素早い運動がいかにして実行されているかを、電気生理学的単一ニューロン活動記録実験、脳活動の光学的計測、fMRI による実験と計算論に基づく解析を組み合わせて、運動指令構築のメカニズムの解明を進め、免疫組織化学的方法も取り入れている。大変に労力のいる研究であるが着実に進展していると思う。追従眼球運動の小脳を介する逆ダイナミックス変換の数理的な解析が計算論に基づく生理学的なデータ解析の優れた範例になったばかりでなく、上肢到達運動の制御における小脳の役割に関して、プルキニェ細胞の複数スパイクが行く先と相対的誤差を表すことを発見した研究が 雑誌Nature に発表され、さらに輻輳運動の視覚的制御の神経機構の研究が短期間に急速に進み潜時の短い追従運動が両眼視差変化とオプティックフローの両方の要素で起きることを明らかにした。

　当初予定していなかった輻輳運動の視覚的制御の神経機構の研究で新たな展開が生じ奥行方向の視覚的情報処理の研究と知覚と運動制御の解離などについて新しい発見があった。また上肢到達運動の小脳による制御に関して複雑スパイクの役割を明らかにした研究は思いがけない展開で素晴らしい発見である。

　発想、実験共に極めて質の高いエレガントな研究であり、国際的に他に例がない独創的研究である。電気生理学的実験結果を計算論的に解析し、光学的計測法や fMRI などの手法もとり入れ、多角的に研究を行い、着実に成果を挙げている。発表も３年間に英文13論が出ているが、さらに、最高レベルの国際誌や英文総説への発表が期待される。

　運動指令の構築に関して眼球運動と上肢運動を平行して研究する体制が整い、計算論 に基づく生理学的データの数理科学的解析には計算論の専門家との共同研究が実を結んでいる。また輻輳運動の制御の研究では NEI の F. Miles 博士との共同研究が研究の新しい展開に役立っている。サル脳の光学的計測とヒト脳の fMRI の比較研究も軌道に乗り出している。研究の今後の進め方については、脳の仕組みについて大きい統一的原理機構の発見を期待する。

４−２.研究成果の現状と今後の見込み

　追従眼球運動において、MST野および背外側橋核の活動は感覚情報を反映しているのに対して、小脳腹側傍片葉の活動は眼球運動を反映していることを見出した。しかし、反相関の視覚刺激を与えたときは、MST野のニューロンが知覚よりもむしろ輻輳運動に関係していた。上肢到達運動において小脳プルキンエ細胞への入力として単純および複雑スパイクが担う「行く先」および「誤差」情報の時間的関係が解明された。行動するサルのニューロン活動の研究でこれほど緻密な数理科学的解析に成功した例は世界的にも珍しい。発表された成果はすべて理論の正しさを示している。

　脳科学にとって重要な分野であり、脳機能システム研究のひとつの典型的な成功例である。プルキンエ細胞の complex spike の解析は技術的に見ても高度の物であり、光計測法や fMRI の手法、計算論的アプローチを併用し成果を挙げている。科学的・技術的インパクトは高い。

今後、1)空間知覚と運動制御の関係、2)随意的運動制御と反射的運動制御の関係、3)運動の空間的制御の学習過程、4)サルの脳活動とヒトの脳活動の関係などについて新しい発見が見込まれる。

４−３. 総合的評価

　極めて質の高い第一級の研究である。日本のシステム研究の中軸として研究に専念して下さい。このような優れた研究者には充分な支援と時間を与えて自由に研究していただくことが重要である。「感覚入力が運動出力になるまで、脳内で運動指令がどのように構築されているか」ということに関して、多角的に研究し、計算論的解析を取り入れ、着実に成果を挙げている。今後の研究方向としては、免疫組織化学的手法を用いたり c - fos を調べるなどあまりテーマを拡げずに焦点を絞るほうが得策ではないか。脳機能の原理の一つを確立してほしい。本研究の大きさの評価は、共通する神経機構が発見できるかどうかにかかっていると思う。