海馬のシナプス可塑性は記憶、学習の基礎的現象としてのみならず、神経細胞死やてんかんへの関与も考えられ、神経学的にもきわめて重要な研究対象である。海馬のシナプス可塑性のなかでも特に詳細に研究されているのが、CA1領域の長期増強(LTP)と長期抑圧(LTD)である。CA1領域のLTPは100Hz、1秒といった高頻度刺激で惹起され、N-methyl-D-aspartate(NMDA)受容体チャネルの特異的阻害剤であるD-(-)-2-amino-5-phosphonovaleric acid(D-AP5)によってその惹起が阻止される。CA1領域のLTDは1Hz、15分間といった低頻度長期の刺激により惹起され、やはりD-AP5によってその惹起が阻止される。LTPもLTDもその惹起にはシナプス後細胞内のCa²⁺濃度上昇が必須であることが示されており、最近の有力な仮説によればCa²⁺濃度上昇が高度であればLTPが導かれ、中等度であればLTDが導かれるとされる。ただこの考え方で問題となるのは、これまでのところLTDの惹起が低頻度長期の刺激によらねば困難であることから、中等度のシナプス後細胞内のCa²⁺濃度上昇以外に刺激回数や刺激の持続時間といった因子がLTDの惹起に必須であるかもしれないという点である。またLTP、LTD惹起におけるD-AP5感受性からシナプス後細胞内へのCa²⁺流入の主たる経路はNMDA受容体チャネルと考えられるが、電位依存性Ca²⁺チャネルを介するCa²⁺流入の重要性を示唆する報告も多く、この点についても解決に至っていない。以上の諸問題に検討を加えるため、我々は、Mg²⁺非存在下ではMg²⁺によるNMDA受容体チャネルの電位依存性ブロックは解除され、シナプス後細胞の脱分極がなくともリガンドの結合のみでNMDA受容体チャネルの開口、Ca²⁺流入がおきる点に着目し、Mg²⁺を含まない(Mg²⁺-free)人工脳脊髄液(ACSF)灌流中に低頻度で条件刺激を与える方法をとった。 この方法は、既に述べたシナプス後細胞の脱分極なしにNMDA受容体チャネルを介するCa²⁺流入を起こすことができるとともに、1Hz以下の低頻度刺激でNMDA受容体チャネルを介するCa²⁺流入を起こすことが可能なので、時間分解能にすぐれ、NMDA受容体チャネルを介するCa²⁺流入量の微細な調節が容易であるという利点を持つ。

　ウィスター系ラット海馬切片CA1領域放線状層内でSchaffer側副路/交連線維を刺激し、錐体細胞のホールセル記録および樹状突起レベルでの細胞外興奮性シナプス後電位(f-EPSP)記録を行った。条件付けは通常Mg²⁺-free ACSFを10分間灌流し、低頻度(1Hz)で条件刺激(0〜50回)を与えることで行った。一部の実験では頻度をさらに下げた。ACSFの組成はNaCl124,KCl5.0,MgSO₄1.3,NaH₂PO₄1.2,NaHCO₃26,CaCl₂2.4(いずれもmM)とし、Mg²⁺-freeACSFの組成は通常のACSFからMgを含む塩を除いたものである。パッチピペットの内液の組成はCsGluconate 122.5,CsCl17.5,NaCl8,EGTA0.2,Cs-HEPES10,MgATP2,Na₃GTP0.3(いずれもmM)とし、pHは7.25、浸透圧は290から310mOsmに調整した。

　1Hz以下の低頻度刺激に対するEPSPは時間的に加重しないので、正常ACSF灌流時にはMg²⁺によるNMDA受容体チャネルの電位依存性ブロックは解除されず、そのような低頻度刺激によるNMDA受容体チャネルを介するCa²⁺流入は非常に少ないと考えられる これに対し、我々の系においては、 、-70mVに膜電位を固定しても、単一の刺激に対してD-AP5感受性のあるEPSCが観測されたことから、Mg²⁺-freeACSF灌流中の低頻度刺激によってNMDA受容体チャネルを介するCa²⁺流入が起きていることは確実である。実際、1Hz3回以上の条件刺激ではLTPが惹起された。このLTPはテタヌス刺激によるLTPと同様NMDA受容体依存性であり、またこれと閉塞することから両者は共通の過程を持つことが示された。また条件刺激1回ではLTPもLTDも起きず、さらにD-AP5でNMDA受容体チャネルを部分的に阻害するとはじめて条件刺激1回でLTDが起きた。このことはシナプス後細胞への大量のCa²⁺流入によりLTPが、比較的少量のCa²⁺流入によりLTDが起きること、さらにその中間にシナプス伝達効率に変化を与えない領域があることを示唆する。またLTDの惹起のために、刺激が多数回であることや、長時間持続することは、必ずしも必要ではないことも示された。0.05Hzで10回という条件刺激でもLTPが起きたことは、20秒以上続くシナプス後細胞内の何らかの状態変化が加重した結果LTPが惹起されたと考えられる。