教員の研究紹介
伊藤 哲史

認知・情動脳科学専攻 Major of Cognitive and Emotional Neuroscience

音声知覚の神経回路の解明
Neuronal circuitry underlying perception of communication sounds
Tetsufumi Itoシステム機能形態学 Systems Function and Morphology
伊藤哲史 Tetsufumi Ito

研究の背景と目的 Background and Purpose of Study

私達は世界のありのままの姿を感じ取っているのではなく、環境から私達の生存に重要である情報を選び取り、意識下・意識上でさらなる選別を行ったものを知覚している。生存に必要な情報は動物の置かれた環境ごとに異なる。例えばサルは3次元的な環境で餌となる果実を見分けるのに適した、3原色色覚と立体視を進化させた一方、虫食性コウモリは暗闇で飛行しながら羽虫を捕えるに適した、ソナー音の反響定位能力を進化させてきた。この生存に重要な情報の選別のために、動物は置かれた環境に最適化した感覚器官や神経回路を有している。 本研究室は感覚の中でも特に聴覚に注目して、環境音から動物にとって意味のある音を検出し、それを認知するに至るメカニズムを研究している。聴覚神経回路において、多数の神経核がその情報の抽出に働き、下丘、内側膝状体、聴覚野といった上位領域でこれらの情報の統合が行われることが目されるが、局所神経回路の構築が不明であるため、その情報処理の詳細は不明である。神経回路は特定の挙動を示す素子(ニューロン)が秩序だって互いに連絡することで意味のある情報処理が可能になる。そこで、個々の素子の機能特性を明確にするとともにそれらの神経回路配線上での位置づけを解明することが神経回路解明の基本戦略となる。本研究室ではラット・マウスのようなモデル動物に加えコウモリのような聴覚情報処理に特化した非モデル動物を用い、電気生理学、機能イメージング、様々なウイルスベクター、脳の分子発現可視化技術を組み合わせることによって、聴覚情報の抽出と統合に係る神経回路の可視化を行っている。
We do not sense "REAL" world but select environmental information which is necessary for our survival and perceive sensory objects which are further processed both consciously and unconsciously.  The information essential for survival is different between environmental niches: For example, trichrome, three-dimensional vision is evolved in monkeys, which live in steric environment and on colorful fruits, whereas echolocation is evolved in insectivorous bats, which hunt flies in the darkness.  To select the important information, animals possess the sensory system and neuronal circuitry which are optimized for the living environment. We mainly focus on the auditory system, and study neuronal mechanisms which select meaningful information from environmental noise and make perception. In the auditory system,  lower brainstem auditory nuclei work for extract various aspect of sound information, and higher centers, such as inferior colliculus, medial geniculate body, and auditory cortex seem to integrate the sound information to create sound objects, although detailed integratory processes remain unknown due to insufficient knowledge about the organization of local neuronal circuitry. Since a neuronal circuit will be functional only when neurons with special functions connect each other in an organized fashion, our basic strategy to analyze neuronal circuitry is to study function of each neuronal component and connectivity of the components inside the circuitry. We use not only model animals like mouse and rats, but also non-model animals with a specialized auditory system, like echolocation bats, and utilize various techniques such as electrophysiology, functional imaging, various viral vectors, and microscopic techniques for visualizing various molecular markers to "see" neuronal circuitry underlying extraction and integration of sound information.

本研究の領域横断性

本研究室では、神経回路を単一細胞・シナプスレベルで生理学的・解剖学的に解析するための様々な技術と経験を有しており、過去に、基礎医学研究室、臨床医学研究室、工学部などと様々な共同研究を行ってきました。例えば、病態モデル動物の神経回路解析(金沢医科大学生理学講座との共同研究、Xu et al., 2020)、ヒトの味蕾の非侵襲リアルタイム観察(福井大学耳鼻咽喉科との共同研究)、コウモリの聴覚神経回路と音響定位行動との関連についての研究(同志社大学生命医科学部との共同研究)など。神経系に限らず顕微解剖学についての様々なノウハウがあり、共同研究が可能です。

研究内容

個々の素子の機能特性を明確にするとともにそれらの神経回路配線上での位置づけを解明することが神経回路解明の基本戦略となる。

この戦略に基づき、いくつかの研究アプローチを用いる。

  • 遺伝子組換えウイルスベクターを用い、単一細胞レベルで神経回路の可視化を図る。
  • 電気生理学技法を用い、単一神経細胞の入出力特性(入力:音刺激またはシナプス電流、出力:活動電位発生様式)を明らかにする。
  • 機能イメージング技法を用いて、神経細胞集団の時空間活動様式を明らかにする。
  • 神経回路の個々の素子(細胞種)に特異的に発現する遺伝子を同定し、細胞種レベルでの神経回路の可視化や機能の操作を行うことで細胞種の機能解明を図る。
  • 特定の音情報処理に特化した動物とそうでない動物の神経回路構造を詳細に比較する。例として、超音波を発声し、反響音から空間を認知する反響定位能力を持つコウモリと、反響定位能力を持たない動物の聴覚神経回路の比較研究を行ってきた。

これらのアプローチを組み合わせることで、様々な種類の素子が織りなす神経回路網の詳細な構造と、その神経回路網によって抽出・分析される音情報を対応付けて解明することができると考える。

参考文献

原著及び総説論文
  1. Tetsufumi Ito Different coding strategy of sound information between GABAergic and glutamatergic neurons in the auditory midbrain  JOURNAL OF PHYSIOLOGY-LONDON 598(5) 1039 - 1072 2020年3月
  2. Tetsufumi Ito, Deborah C. Bishop, Douglas L. Oliver Functional organization of the local circuit in the inferior colliculus ANATOMICAL SCIENCE INTERNATIONAL 91(1) 22 - 34 2016年1月
  3. Tetsufumi Ito, Deborah C. Bishop, Douglas L. Oliver Two Classes of GABAergic Neurons in the Inferior Colliculus JOURNAL OF NEUROSCIENCE 29(44) 13860 - 13869 2009年11月
書籍等出版物
  1. 伊藤哲史 生き物と音の事典 (担当:分担執筆, 範囲:聴覚求心路と遠心路) 朝倉書店  2019年11月 (ISBN: 9784254171679) 
  2. Tetsufumi Ito, Manuel S Malmierca The Mammalian Auditory Pathways, Springer Handbook of Auditory Research, Vol. 65 (担当:分担執筆, 範囲:Chapter 6: Neurons, Connections, and Microcircuits of the Inferior Colliculus.) Springer  2018年3月 (ISBN: 9783319717968) 
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