Interaction of neurons across cerebral cortex is a building-block of complex cognitive functions such as long-term memory retrieval. The best option currently available to investigate information processing mediated by the neuronal interaction is to conduct simultaneous electrophysiological recordings from functionally interacting neurons. However, since interacting neurons are sparsely distributed across the cerebral cortex whose organizational principles is not well understood, it is often difficult to conduct such simultaneous recordings successfully: Finding functionally interacting neurons without a guiding principle is as difficult as finding a needle in a haystack. One promising approach to overcome this difficulty is to combine simultaneous electrophysiological recording with in vivo imaging that could map functionally interacting cortical regions. In this thesis, I developed a fMRI-based method for functional connectivity mapping that could be used to guide subsequent electrophysiology. To this end, I first compared two fMRI-based connectivity mapping methods: one using simultaneous electrical microstimulation (EM-fMRI) and the other using temporal correlation of spontaneous fMRI activity (FC-fMRI). Direct comparison of the two mapping methods in individual macaque monkeys revealed significant differences in the 'connectivity' found by the two methods, and moreover, suggested that FC-fMRI is better suited for detecting corticocortical interactions. Next, I optimized experimental and analytical protocols of FC-fMRI to the inferior temporal cortex (ITC) of macaque monkeys whose interaction with the prefrontal cortex (PFC) is thought to be important for solving complex mnemonic tasks. Finally, to prove feasibility of the overall method, I conducted FC-fMRI guided electrophysiology from ITC and PFC. Simultaneous recordings in ITC and PFC revealed potential electrophysiological correlates of fMRI-based functional connectivity between cortical areas.

本研究では、マカクサルにおいて4.7テスラMRI装置を用いた磁気共鳴機能画像法(fMRI)実験を行い、長期記憶の想起に重要であると考えられる下部側頭葉と前頭葉での大脳皮質領野間における機能結合(functional connectivity)を計測する為の新しい方法を開発した。この方法の重要な特徴に、マカクサルの生存下(in vivo)で非侵襲的な計測を行えることが挙げられる。この特徴は、本方法によりfunctionalconnectivityを調べた個体に対して、更に電気生理学的な実験手法などを適用できることを意味している。本研究では、この特徴を実際に生かし、functional connectivityを調べたサルにおいて、側頭葉及び前頭葉で同時に電気生理学的な脳活動計測を行い、fMRIで調べたfunctional connectivityが電気生理学的な脳活動の領野間における協調的活動としてあらわれていることを確認した。

高次認知機能は離れた大脳皮質領野間の協調的活動によって作られていると考えられている。このような協調的活動を支える大脳皮質領野間の解剖学的結合(anatomical connectivity)は、神経トレーサーを使い研究されてきたが、この方法では動物個体を切片標本にする必要があり、せっかくanatomical connectivityを見つけてもその機能を調べることは出来なかった。大脳皮質領野間の協調的活動が認知機能において果たす役割を理解するには、in vivoで"協調的に活動する脳部位"を検出する為の新しい方法論が必要とされていた。

そこで本研究では、fMRIを用いて大脳皮質領野間のfunctional connectivityをin vivoで同定し、電気生理学的な研究手法と組み合わせるという方法論を開発した。まず、2頭の麻酔下マカクサルの一次体性感覚野において、電気刺激とfMRIを組み合わせて用いる方法(EM-fMRI)と、fMRIにより調べた大脳の自発活動により大脳領野間のfunctional connectivityを推定する方法(FC-fMRI)とを比較した。その結果、EM-fMRIでもFC-fMRIでも、過去の知見から分かっている体性感覚野のanatomical connectivityと整合的なfUmctional connectivityを検出できることが分かった。更に、EM-fMRIでは電気刺激を行った大脳半球内での同側性のfunctional connectivityが検出されるのに対し、FC-fMRIでは両側性のfunctional connectivityが検出されることが分かった。この違いを説明する要因として、まず、FC-fMRIでは複数シナプスに渡るanatomical connectivityを跨ったfunctional connectivityを検出できるのに対し、EM-fMRIでは単一シナプスのanatomical connectivityに由来するfunctional connectivityしか検出できないことに起因しているという仮説が考えられた。しかしながら、EM-fMRIにより一次体性感覚野と小脳とのfunctional Connectivity力弐検出されたことから、EM-fMRIにおいても複数シナプスに渡る負functional cnnectivityを検出可能なことが示されたため、この仮説は否定された。他の仮説としては、EM-fMRIでは大脳皮質一大脳皮質下間の食functional cnnectivityを優先的に検出し、FC-fMRIでは大脳皮質一大脳皮質問のfunctional connectivityを優先的に検出するという可能性が考えられた。前者のanatomical connectivityは同側性であるのに対し、後者は両側性のものを多数含むことが過去の知見から知られているため、この仮説によりEM-fMRIとFC-fMRIで見られたfunctional connectivityの違いをanatomical connectivityの違いから説明することが可能である。この仮説を確かめるためEM-fMRIとFC-fMRIのそれぞれで大脳皮質一大脳皮質下問と大脳皮質一大脳皮質問でfunctional connectivityの強さを比較したところ、EM-fMRIにおいては前者、FC-fMRIにおいては後者がより強く検出されていることが分かり、EM-fMRIとFC-fMRIが異なるanatomical connectivityを反映しているという仮説が支持された。

本研究では次に、FC-fMRIをマカクサルに適用し、長期記憶の想起に重要と考えられている前頭葉と下部側頭葉との大脳皮質領野間のfunctional connectivityを調べた。下部側頭葉は外耳道に由来する磁揚の空間的不均一性によりMRIによる画像化が困難な脳部位であり、従って、まず側頭葉でFC-fMRIを行うことを可能とするために実験手法の改善を行った。具体的には、fMRIに用いる撮像法のパラメータを調整し、下部側頭葉においてアーチファクトが最少になるように最適化した。次に、麻酔薬を変更し、より強い自発活動が出る条件にした。最後にデータ解析によるノイズ除去を行った。このようにして下部側頭葉に最適化したFC-fMRIを3頭のマカクサルに使用し、下部側頭葉のPerirhinal Cortex(PRh)と前頭葉、特にOrbitofrontalCortex(OFC)とのfunctional connectivityを同定した。更に、1頭のマカクサルにおいて、電気生理学的な手法を使い、FC-fMRIによりfunctional connectivityが確認されたPRh-OFCの部位において、自発的な脳活動が協調的であることを確認した。

以上のように、本研究では、マカクサルの大脳領野間のfunctional connectivityをin vivoで調べる新しい方法論を開発し、電気生理学的な記録法と組み合わせて用いることが出来ることを示した。更に、ここで開発された技術により、fMRIで調べた協調的な自発活動が、電気生理学的にも確認されることが示された。ここで開発された方法は大脳皮質領野間の協調的活動が高次認知機能に果たす役割を解明する上で重要なツールになると考えられる。また、今回の研究で得られた知見は、いまだよく分かっていないfunctional connectivity生成のメカニズムや、anatomical connectivityとその上で生じる機能的な相互作用との関係の解明に、重要な貢献をなすと考えられる。

この論文は、小谷野賢治氏、田村啓太氏、足立雄哉氏、長田貴宏氏、竹内大吾氏、宮本健太郎氏、宮下保司教授との共同研究であるが、論文提出者が主体となって研究を行ったもので、提出者の寄与が十分であると認められる。従って審査員一同は同提出者に博士(理学)の学位を授与出来ると判断する。