神経行動学 Neuroethology

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しおりありたけ
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2012 年度第 11 回神経と脳 4. 神経行動学 (Neuroethology) 講義資料 http://www.brain.rcast.u-tokyo.ac.

1 2012 年度第 11 回神経と脳 4. 神経行動学 (Neuroethology) 講義資料 Password: neuron10 神崎亮平東京大学先端科学技術研究センター Research Center for Advanced Science and Technology 講義実施日 10 月 2 日第 1 回 10 月 9 日第 2 回 10 月 16 日第 3 回 10 月 23 日第 4 回 10 月 30 日第 5 回 11 月 6 日第 6 回 11 月 13 日第 7 回 11 月 20 日月脳の講義 11 月 27 日第 8 回 12 月 4 日休講 12 月 11 日第 9 回 12 月 18 日第 10 回 1 月 8 日第 11 回 1 月 15 日月曜の講義 1 月 22 日第 12 回 1 月 29 日第 13 回 ( アンケート ) 2 月 5 日第 14 回 ( 試験 ) 1

2 1. イントロダクション講義内容 2. 動物行動学 (Ethology) 鍵刺激解発機構定型的行動環世界, 感覚の世界 3. 神経生物学 (Neurobiology) ニューロンの構造と機能感覚情報の表現 4. 神経行動学 (Neuroethology) 記憶と学習行動 ( 可塑性 ) 環境情報の処理と行動発現 BMI( 脳機械械融合システム ) 記憶 / 学習 : 行動の可塑性学習 (learning) 動物の経験によって行動が変化すること記憶 (memory) 脳に蓄積された情報記銘 : 学習に伴う情報の保存保持 : 保存された内容と保持する過程想起 : 保存された情報を引き出す過程 2

3 記憶の分類記憶の持続時間による分類短期記憶 (short-term memory) 会話, 読書, 電話番号記憶, 暗算などの作業を行うときにわずかな間だけ記憶にとどめておく必要がある. 数秒間の記憶. The Magical Number Seven, Plus or Minus Two ( George Armitage Miller (USA) が提唱 ) 操作する必要のない情報の貯蔵庫. 買い物リスト. 容量は 7 プラスマイナス 2 項目. 一週間は 7 日, 秋の七草, 七つ道具. 長期記憶 (long-term memory) 参考記憶というとき最も一般的にイメージされるのが長期記憶. 長期記憶は名前のとおり年の単位で長期間憶えている記憶. 情報の永続的貯蔵. 親友の名前. 小学校の名前.. 記憶の分類長期記憶の性質による分類長期記憶宣言記憶 ( 陳述記憶 ) Squire(1987) エピソード記憶 Tulving(1978) 意味記憶 Tulving(1978) 手続き記憶 ( 非陳述記憶 ) Squire(1987) 昨日の夕食のメニューなどの自伝的出来事, 水害などの社会的出来事の記憶家族の名前や誕生日などの個人的な事実, 言葉の意味などの社会的に共有する知識の記憶自転車の乗り方やダンスの仕方など体で覚えた記憶. 3

4 長期記憶の分類 Larry R. Squire (1987) 宣言記憶 ( 陳述的記憶, 顕在的記憶 )declarative memory 出来事の記憶. 意識して思い出す記憶, 順序だてて考えたときにはじめて想起される. エピソード記憶 : 旅行の思い出, 実体験に基づく記憶意味記憶 : 一般常識など学習によって獲得した知識手続記憶 ( 非陳述的記憶, 潜在的記憶 )procedural memory 意識しなくても自然に思い出せる記憶, 小脳を中心とした神経回路により形成条件反射 : パブロフの犬非連合学習 : 慣れ, 感作熟練技能 : スポーツ技術, 自転車の乗り方, 楽器の演奏認知的技能 : 野球や将棋のルールアメフラシを使った学習研究非連合学習 1 つの刺激に対する応答が時間とともに変化する学習慣れ ( 馴化 ) habituation 感作 ( 鋭敏化 ) sensitization 連合学習 2 つ以上の刺激の関連付ける学習古典的条件付け classical conditioning Aplysia californica アメフラシ ( 雨虎, 雨降 ) は, 腹足綱後鰓類の無楯類 (Anapsidea, Aplysiomorpha) に属する軟体動物の総称.). 雌雄同体. 神経細胞の細胞体は, 直径 μm と哺乳類の 10 倍の大きさ. 4

5 アメフラシの鰓引き込み反射カリフォルニアアメフラシ Aplysia californica Eric R. Kandel was awarded the 2000 Nobel Prize in Physiology or Medicine. From the 2008 Holiday Lectures Making Your Mind: Molecules, Motion, and Memory Meet a live Aplysia californica Aplysia californica is a marine snail with a simple nervous system suitable for research on learning and memory. Aplysia californica is a marine snail with a simple nervous system suitable for research on learning and memory Howard Hughes Medical Institute 5

6 アメフラシの鰓引き込み反射海水を水管 ( サイフォン ) に通し, 鰓でガス交換 ( 呼吸 ) を行う. カリフォルニアアメフラシ Aplysia californica 水管に軽い接触刺激を与えると, 水管をキュッと縮めて保護する. 刺激を何度も繰り返すと, 次第に慣れて引き込み反射を示さなくなる ( 慣れ ). その後 2 時間放置すると回復する. アメフラシの神経系 6

7 Ca 濃度と活動電位の同時計測慣れ ( 馴化 ) habituation カリフォルニアアメフラシ Aplysia californica 触刺激を繰り返すこと (10 回程度 ) により応答性が低下すること. 7

鰓引き込み反射に関与する神経回路 ( 短期 ) シナプス抑圧 (Short tem)synaptic depression シナプス前終末の伝達物質の枯渇. シナプス小胞の数が減少伝達効率が低下 ( シナプス抑圧 ) が生じる繰り返し刺激に対しても反応は変化しない EPSP の大きさが減少鰓引き込み反射は主に単シナプス経路をとる. 注意 : それぞれ複数のニューロンの代表として描いている.

8 鰓引き込み反射に関与する神経回路 ( 短期 ) シナプス抑圧 (Short tem)synaptic depression シナプス前終末の伝達物質の枯渇. シナプス小胞の数が減少伝達効率が低下 ( シナプス抑圧 ) が生じる繰り返し刺激に対しても反応は変化しない EPSP の大きさが減少鰓引き込み反射は主に単シナプス経路をとる. 注意 : それぞれ複数のニューロンの代表として描いている. シナプス抑圧 Synaptic depression 1. シナプス前軸索末端に流れ込む Ca の量が減少することと 2. 放出可能なシナプス小胞の数が減少することによる刺激の反復 :(Drosophila, C. elegans, mouse) Ca-activated K channel (BK channel) のコンダクタンス増大により,Ca の流入が減少 ( シナプス抑圧 ) N 型 Ca チャネルの抑制が生じ,Ca 流入が減少するなどの理由により神経伝達物質の放出が減少することが原因と考えられている ( 岡, 神経生物学 ) 8

9 脱慣れと感作脱慣れ : dishabituation 強い新奇刺激を与えることで, 慣れを起こす前の応答性に回復すること. 感作 :sensitization 普段その反射を引き起こすのとは別の強い刺激の後, すべての反射が強められること. 脱慣れと感作数分に 1 回, 数時間規則的に水管に接触刺激を与えると, アメフラシは慣れて, 鰓引き込み反射をしなくなる : 慣れそこで, 尾をたたくと, 今まで慣れが生じていたはずの鰓引き込み反射を, 水管への接触刺激で起こすようになる : 脱慣れ尾をピンセットでつかむような侵害刺激を与えると, 脱慣れどころか, 普段鰓引き込み反射など起こさないようなごく弱い接触刺激にも敏感に鰓を引き込むようになる : 感作 9

From the 2008 Holiday Lectures Making Your Mind: Molecules, Motion, and Memory Aplysia's gill-withdrawal reflex and sensitization http://www.hhmi.

10 From the 2008 Holiday Lectures Making Your Mind: Molecules, Motion, and Memory Aplysia's gill-withdrawal reflex and sensitization A touch to the Aplysia's siphon causes a gill withdrawal, a simple reflex for studying memory Howard Hughes Medical Institute 脱慣れと感作の機構 10

脱慣れと感作の機構促通介在ニューロンから放出されたセロトニンが感覚ニューロンに働き, セカンドメッセンジャー系を駆動して,Ca 2+ の流入量を増し, かつシナプス小胞の数を増すことで起こる. セロトニンは長期的に伝達物質の放出を増し, 新しいシナプスを形成させる効果をもつ. セロトニン serotonin 5 ヒドロキシトリプタミン (5 hydroxytryptamine).

11 脱慣れと感作の機構促通介在ニューロンから放出されたセロトニンが感覚ニューロンに働き, セカンドメッセンジャー系を駆動して,Ca 2+ の流入量を増し, かつシナプス小胞の数を増すことで起こる. セロトニンは長期的に伝達物質の放出を増し, 新しいシナプスを形成させる効果をもつ. セロトニン serotonin 5 ヒドロキシトリプタミン (5 hydroxytryptamine).c10h12n2o. 動物体に広く分布し, 視床下部大脳辺縁系上生体 ( 松果体 ) 血小板に多い. いわゆる生理活性アミンの一種で, 腸の蠕動運動, 毛細血管収縮などの作用を示す. 細胞内ではシナプス小胞内に高濃度に含まれ, 神経伝達物質の一つと考えられている. セロトニンによって伝達の行われるニューロンをセロトニン作動性ニューロン (serotonergic neuron) とよぶ. トリプトファンからトリプトファン 5 モノオキシゲナーゼ (tryptophan5 monooxygenase,ec ) などの作用により 5 ヒドロキシトリプトファンを経て生合成され, 上生体ではメラトニンに変化する. 11

脱慣れと感作の機構 DAG: ジアシルグリセロール,PKC(A): タンパクキナーゼ C(A) Ca の流入 K channel 活性を下げる PKC によるシナプス小胞放出の促進感作では, 感覚ニューロンと運動ニューロンの間のシナプスが別の修飾ニューロンによって強化されるので, 異シナプス促通という. 2 種類のセロトニン受容体 1.

12 脱慣れと感作の機構 DAG: ジアシルグリセロール,PKC(A): タンパクキナーゼ C(A) Ca の流入 K channel 活性を下げる PKC によるシナプス小胞放出の促進感作では, 感覚ニューロンと運動ニューロンの間のシナプスが別の修飾ニューロンによって強化されるので, 異シナプス促通という. 2 種類のセロトニン受容体 1.Gs 共役型 : セロトニンの結合により, アデニル酸シクラーゼが活性化し,c AMP が生成. これにより,A キナーゼ (PKA) が活性化.PKA はシナプス終末膜状の K チャネルの一種 ( Ks チャネル,s は serotonin) またはその機能に密接するタンパク質をリン酸化. このリン酸化により Ks チャネルが閉じる ( または機能的な Ks チャネル数が減少 ),K 電流が抑制. これにより, 活動電位の持続時間が長くなり,Ca 流入量が増加. 感覚ニューロンから運動ニューロンへのシナプス効率が増す. 2.Gq 共役型 : セロトニンの結合により, 細胞膜成分の PIP 2 から IP 3 とジアシルグリセロールが生成. ジアシルグリセロールは,C キナーゼ (PKC) を活性化.PKC は, シナプス小胞の放出を何らかの機構で促進し, シナプス伝達の増強. 12

camp PKA は核タンパク質である CREB をリン酸化し, これは顆粒の遺伝子の転写を抑制する DNA の配列 CRE に作用する.

13 鰓引き込み反射の脱慣れ感作の機構感作の長期化 1.5 時間以上にわたり繰り返して電気ショックを与えると, 数週間持続する長期の感作が生じる. camp PKA は核タンパク質である CREB をリン酸化し, これは顆粒の遺伝子の転写を抑制する DNA の配列 CRE に作用する. 結果的に, 神経細胞の構造変化に必要なタンパク質の転写と翻訳を活性化する. CREB:cAMP 応答配列結合タンパク質 camp response element binding protein CRE:cAMP 応答配列 camp response element 13

Visualizing learning http://www.hhmi.org/biointeractive/video/index.html Dr.

14 Visualizing learning Dr. Harshad Vishwasrao guides you through a collection of images showing neuronal growth and synaptic formation representative of anatomical changes that occur during learning Howard Hughes Medical Institute 触角葉におけるセロトニンの効果 voltage-sensitive dye imaging Control Serotonin Serotonin - Control 昆虫の脳触角神経複眼 1 mm Hill, Okada and Kanzaki (2003) J Exp Biol 206: 34 14

Sensitivity control serotonin Hill, Okada and Kanzaki (2003) J Exp Biol 206: 34 100 80 60 40 20 0 フェロモンによる慣れと脱慣れ GLM, P<0.

15 行動反応 (%) セロトニン量 (pmol/brain) 触角葉におけるセロトニンの効果 voltage-sensitive dye imaging Control Serotonin Serotonin - Control 1. Strength 2. Period 3. Sensitivity control serotonin Hill, Okada and Kanzaki (2003) J Exp Biol 206: フェロモンによる慣れと脱慣れ GLM, P<0.05 control: N=32 慣れ : N=32 脱慣れ : N= フェロモン ( ボンビコール ) 量 (ng) P<0.05 a b 慣れ control 脱慣れ (N=6) (N=3) (N=6) b Stim 0sec Stimulation General Odor (Linalool) 30sec Stim/Res 30min Matsuyama and Kanzaki (in preparation) 15

16 アメフラシの古典的条件付け US として, 尾への電気刺激これによって無条件に鰓引き込み反射が起こる. CS は, 水管または外套膜への軽い接触刺激ふつうであれば, この CS で, 鰓引き込み反射が起こるので, 刺激の強度は, 弱くし, 起こすか, 起こさないか程度にする. アメフラシの古典的条件付け 16

17 US SN セロトニン CS SN 訓練前の水管への条件刺激 (CS) CS CS 17

18 尾に無条件刺激 (US) を与えたとき US US CS を US の直前に与える ( 条件付け学習過程 ) US CS US CS 18

19 条件付け成立後 19

PowerPoint プレゼンテーション

PowerPoint プレゼンテーション細胞の情報伝達 (1) 何を学習するか細胞が環境からシグナル ( 刺激 ) を受けて細胞の状態が変化するときに細胞内でどのような現象が起きているかを知る分子の大変複雑な連続反応であるので反応の最初の段階を中心に見ていく ( 共通の現象が多いから ; 疾患の治療の標的となる分子が多い ) これを知るために (2) リガンドの拡散様式 ( 図 16-3) リガンドを発現する細胞とこれを受け取る細胞との