バレル皮質

バレル皮質は、齧歯類の一部の種と少なくとも他の2つの目の種で識別可能な体性感覚皮質の領域であり^[1]、バレルフィールドを含みます。バレルフィールドの「バレル」は、シトクロム c オキシダーゼの存在を明らかにするために染色すると視覚的に暗くなる皮質層IV内の領域であり、隔壁と呼ばれる明るい領域によって互いに分離されています。これらの暗く染色された領域は、視床からの体性感覚入力の主なターゲットであり、各バレルは体の領域に対応しています。この独特の細胞構造、組織、および機能的重要性により、バレル皮質は皮質処理を理解するための有用なツールであり、神経科学で重要な役割を果たしてきました。^{[2]皮質視床処理についてわかっていることの大部分は、バレル皮質の研究から得られたものであり、研究者は}新皮質柱のモデルとしてバレル皮質を集中的に研究してきました。

バレル フィールドの最も特徴的な側面は、ヒゲ バレルです。これらの構造は、1970 年にウールジーとファン デル ロースによって初めて発見されました。^[3]ヒゲ バレルの染色は、体性感覚皮質の他の領域の染色よりも明確です。配列が特定の哺乳類の筋板 (ヒゲが生える領域) のヒゲ(ヒゲ) の配列に似ていることを認識した彼らは、バレルが「筋板ヒゲの皮質対応物」であり、「1 つのバレルが 1 つのヒゲを表す」という仮説を立てました。バレル皮質のヒゲ以外の小さな領域は、体の大きな、時には重なり合う領域に対応しますが、はるかに大きなヒゲ バレルはそれぞれ 1 つのヒゲに対応します。その結果、ヒゲ バレルはバレル皮質研究の大半の焦点であり、「バレル皮質」は主にヒゲ バレルを指すためによく使用されます。したがって、この記事の大部分は、げっ歯類のヒゲ バレル皮質に焦点を当てています。

バレル フィールドは、皮質の多くの領域と同様に、地形図にまとめられている。バレル フィールドの場合、地図は体部位の配置に基づいた体部位別地図である。鼻と口に対応する領域は地図上でより前側と外側に位置し、前肢、後肢、体幹はより内側に位置し、前肢は後肢よりも前側に位置している。また、ヒゲ バレル サブフィールド (顔面の主要なヒゲ (筋性ヒゲ) に対応する後内側バレル サブフィールドと、顔面のより小さなヒゲに対応する前外側バレル サブフィールド) は尾側と外側に位置している。ヒゲは動物の比較的小さな部分を占めるが、体部位別地図の大部分を占めている。^{[4] [5]}

顔面の主要なヒゲ（筋性ヒゲ）に対応するバレルは、後内側バレルサブフィールド（PMBSF）内に含まれる。ここのバレルは最も大きく、最も楕円形であり、ヒゲと同一の印象的な地形的構成を有する。これらは、鼻梁とほぼ平行に走る4～7本の大きなヒゲの5列に構成されている。^[6]筋性ヒゲと対応するバレルの構成は非常に一貫しているため、ラットとマウスの各ヒゲを識別するための命名規則がある。列は上から下にA～Eと指定され、各列内のヒゲの列は後ろから前に番号が付けられている。最初の4列には、列1の後ろに追加のヒゲがあり、小文字またはギリシャ文字（α、β、γ、またはδ）で指定される。これらの4本のヒゲはストラドラーとも呼ばれる。

バレル皮質のバレルは、細胞の密度が樽に似ていることから名付けられました。つまり、細胞は上部と下部が狭くなった円筒形に集まっています。バレルの中心は空洞と呼ばれ、バレル間の空間は隔壁（単数形：septum）と呼ばれます。^[6]

感覚情報は、三叉神経核と視床を経由して、ひげ毛包からバレル皮質に流れます。バレルのような分割は、三叉神経核 (バレルレットと呼ばれる) と視床 (バレルロイドと呼ばれる) の一部で見られますが、すべての部分で見られるわけではありません。三叉神経は、毛包から脳幹に求心性線維を運び、そこで 4 つの異なる三叉神経核 (主、中極、口側、尾側) のニューロンに接続します。

三叉神経核から視床への投射は、肢体路、肢体外路、および肢体傍路と呼ばれる経路に分かれています。肢体路では、三叉神経主核からの軸索が正中線を越えて視床の「バレルロイド」、具体的には腹後内側核 (VPMdm) の背内側部に投射します。VPMdm のニューロンは主に一次体性感覚皮質 (S1) の第 4 層のバレルに投射します。肢体外路では、極間核のニューロンが腹後内側核 (VPMvl) の腹外側部に投射します。VPMvl のニューロンはバレル間の隔壁と二次体性感覚皮質(S2) に投射します。傍脳室経路は、三叉神経中枢の極間核から視床の後核 (POm) を経由して S2 に至り、さらに樽状皮質、特に第 5 層内の拡散標的まで伸びています。

各経路は、バレル皮質内の他の層や運動皮質を含む皮質の他の領域への二次投射も有する。^[7]これらの異なる経路は、ヒゲからの異なる感覚情報を伝達すると考えられている。^{[2] [8]}

ウィスカーバレル皮質には、さまざまな種類のニューロンが含まれており、さまざまなソースから入力を受け取り、それら自体がさまざまな種類の情報を受信して​​処理します。その結果、ウィスカーバレル皮質のニューロンは、ウィスカー関連入力に応答しますが、その方法はニューロンの種類と場所に固有のものです。これはさまざまな方法で現れます。最も単純な方法は、皮質ニューロンが 1 本のウィスカーの偏向のみに応答するか、多数のウィスカーの偏向に応答するかです。レイヤー 4 バレルのニューロンは、1 本のウィスカーに強くまたは排他的に応答する傾向がありますが、他のレイヤーのニューロンはそれほど強く調整されておらず、多数のウィスカーに応答できます。多数のウィスカーの偏向に応答するニューロンには通常、最も応答する主ウィスカーがあります。主ウィスカーの偏向と二次ウィスカーの偏向の応答の大きさの差も、ニューロン間で異なる場合があります。多数のウィスカーを刺激すると、各ウィスカーを個別に刺激した場合の応答の合計に等しい応答が生じる場合もあれば、異なる応答が生じる場合もあります。いくつかのニューロンは複数のニューロンが順番に刺激されるとより大きな反応を示し、その順番は方向が特定される可能性がある。^[9]

ニューロンは、刺激されたヒゲの組み合わせだけでなく、特定の種類のヒゲ刺激にも反応することがある。最も単純な反応は、第 IV 層バレル皮質内のニューロンに見られ、ヒゲの変位を直接コード化する。つまり、特定のバレル内のニューロンは、そのバレルが表すヒゲがニューロンの角度変位にほぼ比例する速度で動かされると発火する。これらのニューロンは方向感受性も示し、特定のニューロンはヒゲが特定の方向に動かされたときにのみ発火する。^{[10] [11]}偏向に基づく発火ニューロンは、ヒゲが偏向している間ずっと反応を維持できる。他のニューロンは最初の偏向に反応するが、その後すぐに以前の活動レベルに戻る。この活動の多くは動物の行動によっても調節される。ラットやマウスはヒゲを積極的に動かして環境を探索し、特定の刺激に対するニューロンの反応は動物の行動によって変化する可能性がある。

バレル皮質は、ヒゲパッドと明らかに関連した整然とした構造を持っているため、感覚処理と発達、および経験依存可塑性現象（経験に応じて神経回路の活動、接続性、構造が変化する現象）を研究するためのツールとして広く使用されてきた。バレル皮質のニューロンはシナプス可塑性の特性を示し、げっ歯類の触覚経験の履歴に応じて、反応する触毛を変えることができる。^[12]経験依存可塑性は、求心性経路（三叉神経など）の要素を損傷するか、顔のヒゲの一部を切除、むしり取る、またはトリミングすることによって、バレル皮質から感覚入力を部分的に奪うことで一般的に研究されている。バレルの解剖学的構造は経路の要素を損傷することによってのみ影響を受けるが、無害な形態の剥奪は、対応するバレル構造の変化なしに、成人期に皮質マップの急速な変化を引き起こす可能性がある。^[13]効果が異なるため、これら2つのパラダイムは異なるメカニズムで機能していると思われます。

バレル皮質の可塑性には臨界期がある。新生児ラットのヒゲを抜くと、第4層で残されたヒゲの表象が長期にわたって拡大する。 ^[14]しかし、生後4日目（P4）以降に感覚遮断が始まると第4層の可塑性は急速に減少するが、第2層/第3層の表象は成体になっても高い可塑性を維持する。^{[15] [16]}

バレル皮質がいくつかのヒゲからの感覚入力を奪われると、2つの皮質プロセスが並行して実行され、表象の可塑性が生じる。奪われた皮質では、保護されたヒゲに対する神経応答が強化され、奪われたヒゲに対する応答は弱まる。これら2つのプロセスは時間経過が異なり、奪われた応答の弱まりが、保護された応答の強化に先行することから、これら2つのプロセスには異なる基礎メカニズムがあることが示唆される。これら2つの効果が組み合わさって、保護されたヒゲの皮質表象が、隣接する奪われたヒゲの表象に拡大する。^{[15] [17]}

ウィスカー除去プロトコルにおける経験依存可塑性の生成には、いくつかの異なるメカニズムが関与している可能性が高い（Feldman and Brecht、2005 ^[17]より引用）。

1. 入力が失われたバレル列への入力が失われると、ほぼ即座にその列の抑制性発火が失われます。これにより、隣接する入力が失われた列からの水平興奮性接続が露出します。^[18]これでは、入力が失われた場合（たとえば、ヒゲが再成長できるようにするなど）、露出はすぐに消えてしまうため、より長期的な可塑性変化を説明することはできません。
2. LTPやLTDのようなプロセスも関与しているようです。これは、カルモジュリン依存性タンパク質キナーゼ II (CaMKII) やサイクリック AMP 応答エレメント結合タンパク質 (CREB) など、LTP や LTD に関連する酵素の発現に変化があるトランスジェニック マウスを使用することで推測できます。これらのマウスでは可塑性が損なわれています^{[19] [20]}頻度よりもスパイクのタイミングが重要な要因である可能性があります。層 4 のニューロンが層 2/3 のニューロンより 0-15 ms 早く発火すると、層 4 から層 2/3 のシナプスで連合 LTP が実証されており、このタイミングの順序が逆になると LTD が観察されます^[21]このようなメカニズムは、数時間または数日以内に可塑性変化を生み出すために急速に作用する可能性があります。
3. 感覚遮断は、 EPSPの振幅や周波数などのシナプスダイナミクスに変化を引き起こすことが実証されています。これらの変化の最終的な効果は、遮断されたバレル内の第2層/第3層のニューロンが、保護されたバレルから受け取るシナプス入力の割合を増やすことです。 ^[22]これらの観察結果は、LTP/LTD以外のより具体的なメカニズムが経験依存可塑性に作用していることを示唆しています。
4. 軸索、樹状突起の枝、樹状突起棘のレベルでの構造変化が、皮質の長期的な可塑性変化の根底にあることは直感的にありそうである。軸索構造の変化は、損傷後の可塑性において報告されており^[23] 、最近ではヒゲのトリミングを用いた研究によっても報告されている^[24] 。樹状突起の枝分かれは出生前および新生児の発達において重要であり、損傷によって誘発される可塑性に関与しているが、経験依存の可塑性には関与していない。^[25]生体内の二光子顕微鏡検査により、マウスのバレル皮質の樹状突起棘は非常に動的で、継続的なターンオーバーを受けており、シナプスの形成または削除に関連している可能性があることが明らかになった。^[25]棘のターンオーバーは経験依存の可塑性を生み出すために必要だが十分ではなく、軸索のリモデリングなどの他のメカニズムも、以前の経験からの節約などの特徴を説明するために必要である可能性が高い。^[24]

バレル皮質の可塑性とリモデリングは外傷性脳損傷の文脈でも研究されており、^[26]環境刺激の強化が可塑性/回復を誘発することが示されており^[27]、時間的コーディングのパターンは可塑性と回復のメカニズムによって変化していることが示されています^{[28] 。}

• ボスマン LW、ハウウェリング AR、オーエンズ CB、タンケ N、シェフチョーク OT、ラフマティ N、テウニッセン WH、ジュ C、ゴング W、コエクック SK、デ ゼーウ CI (2011)。 「リズミカルなひげの動きの生成と感知に関与する解剖学的経路」。フロント。統合します。神経科学。5 : 53.土井: 10.3389/fnint.2011.00053。PMC  3207327。PMID  22065951。
• ダイヤモンド ME、フォン ハイメンダール M、クヌートセン PM、クラインフェルド D、アヒサール E (2008)。 」「ヒゲ感覚運動システムの『どこ』と『何』」。Nat Rev Neurosci . 9 (8): 601–612. doi :10.1038/nrn2411. PMID  18641667. S2CID  6450408.
• Enriquez-Barreto, L; Palazzetti C; Brennaman LH; Maness PF; Fairén A (2012). 「神経細胞接着分子 NCAM はマウスの視床皮質軸索経路探索と皮質体性感覚表現の組織化を制御する」。分子 神経科学のフロンティア。5 : 76。doi : 10.3389 / fnmol.2012.00076。PMC 3378950。PMID 22723769。 

• Fox, K (2008). Barrel Cortex . ケンブリッジ、イギリス: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-85217-3。

• Hoover, JE, Hoffer, ZS, Alloway, KD (2003). 「一次体性感覚皮質から新線条体への投射: 皮質線条体収束における体部位連続性の役割」。Journal of Neurophysiology . 89 (3): 1576–1587. doi :10.1152/jn.01009.2002. PMID  12611938. S2CID  3002038.

• Swadlow HA (1989)。「覚醒ウサギのS-1触毛皮質における遠心性ニューロンと介在ニューロンと思われるもの：受容野と軸索特性」。J Neurophysiol . 62 (1): 288–308. doi :10.1152/jn.1989.62.1.288. PMID  2754479。

• Woolsey, TA; Van Der Loos, H (1970). 「マウス大脳皮質の体性感覚領域 (SI) における層 IV の構造組織: 個別の細胞構築単位からなる皮質フィールドの記述」. Brain Research . 17 (2): 205–242. doi :10.1016/0006-8993(70)90079-x. PMID  4904874.

• Woolsey TA、Welker C 、 Schwartz RH (1975)。「SmL 顔面皮質の比較解剖学的研究、特に層 IV の「バレル」の発生について」。比較神経学ジャーナル。164 (1): 79–94。doi : 10.1002 /cne.901640107。PMID 809494。S2CID 12374398。2012年 12 月 23日の オリジナル(pdf)からアーカイブ。

• BrainMaps プロジェクトの「バレル皮質」を含む染色された脳スライス画像

バレル皮質に関する研究グループ:

• アヒサール研究所、イスラエル
• バース研究所、ピッツバーグ、米国
• ブルーノ ラボ、オックスフォード、英国
• 触覚知覚と学習ラボ（ダイヤモンドラボ）、トリエステ、イタリア
• フェルドマン研究所、米国バークレー
• フィネンティ研究室、MRC神経変性研究センター、ロンドン
• バレル皮質グループ（フォックス研究所）、カーディフ
• 感覚システムおよび神経工学グループ（ハートマン研究所）、米国シカゴ
• ヘルムヘン研究所、チューリッヒ、スイス
• Hires Lab、米国ロサンゼルス
• クラインフェルド研究所、米国サンディエゴ
• マラヴァル研究所、英国サセックス
• ムーア研究所、プロビデンス、米国
• オーバーレンダー研究所、ボン、ドイツ
• オコナー研究所、米国ボルチモア
• 感覚処理研究所（ピーターセン研究所）、ローザンヌ、スイス
• シュワルツ研究所、テュービンゲン、ドイツ
• バレルグループ（Staiger Lab）、ゲッティンゲン、ドイツ
• スタンレー研究所、米国アトランタ
• スボボダ研究所、米国シアトル

バレル皮質に関する書籍

• バレル コルテックス ブック