「細胞外記録」の版間の差分

英：extracellular recording

　細胞外記録とは、広義には神経細胞の近傍に生じる微弱な電気的あるいは電気化学的変化を調べる記録法の総称であり、狭義にはユニット活動の記録を指す。実験目的や記録対象に応じて、局所フィールド記録、単一ユニット記録、マルチユニット記録、ジャクスタセルラー記録、アンペロメトリーなどの記録方法と、それに最適な[[wikipedia:jp:電極|電極]]や計測装置を選択する。総じて時間分解能が高く、脳内の信号処理の仕組みを解明するための有力な研究手法の一つである。

==細胞外記録とは==

　細胞集団全体の活動を調べる局所フィールド電位記録、個々の神経細胞の発火活動を調べる単一ユニット記録とマルチユニット記録、記録細胞の形態を可視化できるジャクスタセルラー記録、細胞外液中の特定の生理活性物質の濃度変化を調べるアンペロメトリーなどに分類される。いずれも高い時間精度で神経活動を計測することができるが、脳組織や神経細胞群に電極を配置するため若干の[[wikipedia:jp:侵襲|侵襲]]は避けられない。

==細胞外記録に用いられる電極==

　細胞外記録用の電極には、ガラス管の先端を熱で加工し[[wikipedia:jp:電解質|電解質]]を内部に充填したガラス電極、[[wikipedia:jp:タングステン|タングステン]]や[[wikipedia:jp:銀|銀]]などをガラスや[[wikipedia:jp:テフロン|テフロン]]など絶縁材料で被覆した金属電極、[[wikipedia:jp:半導体|半導体]]技術を応用して複数の電極を配置したシリコンプローブ、イオン選択性交換剤をガラス管に詰めたイオン（イオン選択性）電極やアンペロメトリーに使用するカーボンファイバー電極などがある。

通常、１本の電極を[[マイクロドライブ]]やマニピュレータをもちいて脳内の目的部位に正確に刺入するが、複数本の電極をワイヤ束状、櫛の歯状、あるいは剣山状に並べて刺入することも可能である。動きやすい神経細胞や組織には、軽い陰圧をかけて記録対象を機械的に保持する[[吸引電極]]が用いられる。柔らかい電極材料を脳内に慢性的に埋め込んで脳の機械的な変位に柔軟に対応する[[フローティング電極]]も開発が試みられている。[[脳スライス標本]]や[[分散培養]]した神経細胞には、碁盤の目状に電極を配置した[[マルチ電極アレー]]が用いられることもある。

==細胞外記録の種類==

| 微小カーボン電極 ||  || 化学物質の濃度変化

|}

===局所フィールド電位記録===

　大脳皮質などで観測される局所フィールド電位は、主に[[錐体細胞]]群への集団的な[[シナプス入力]]によって発生すると説明される（フィールドfield EPSP）。例えば、大脳皮質の錐体細胞の尖頭[[樹状突起]]の遠位部（皮質浅層に相当）に興奮性のグルタミン酸作動性のシナプス入力が来た場合、グルタミン酸受容体を介して陽イオン（つまり電流）が細胞内へ流れ込む（吸い込み、シンクsink）。この電流は樹状突起内を流れて近位部などから細胞外へ流れ出る（湧き出し、ソースsource）。局所フィールド電位は、シンク付近でマイナス、ソース付近でプラスの極性を示し、このシンクとソースの対を双極子dipoleと呼ぶ。双極子の方向に沿って等間隔の部位から得られた局所フィールド電位を使って[[電流源密度解析]] current source density (CSD) analysisをおこなうと、記録部位に沿ったシンクとソースの時間的、空間的分布を調べることができる。なお、[[海馬]]の錐体細胞層など神経細胞の細胞体が密に分布する部位においては、細胞集団の発火活動の総和である[[集合スパイク]] population spikeが観測される。脳スライス標本や分散培養した神経細胞からも、シリコンプローブやマルチ電極アレーをもちいて、フィールドEPSPや集合スパイクを計測することが可能である。

===単一ユニット記録===

注）同時に記録する細胞の数（単一か複数か）にかかわらず、個別の細胞由来に分離した（isolated）ユニット活動を単一ユニット活動single unit activity (SUA)と称して、集合的な（分離しない）ユニット活動multi-unit activity (MUA)と区別する場合もある。しかし、ここでは分離の有無にかかわらず、複数の細胞からの同時記録は次のマルチユニット記録に含めることとする。

===マルチユニット記録===

　近接電極から記録した多数の細胞のユニット活動を分離するためには、スパイク・ソーティングspike sortingという解析技術をもちいる。一般に、スパイク・ソーティングでは、スパイク検出、特徴抽出、クラスタリングの３過程を経て、個別の細胞に由来するスパイク群（クラスターcluster）に分類していく。スパイク検出では、記録トレースにおいて基準を超える電位変化をスパイク候補として選び出す。特徴抽出では、[[wikipedia:jp:主成分分析|主成分分析]] principal component analysis (PCA)や[[wikipedia:jp:ウェーブレット変換|ウェーブレット変換]]などをもちいて、各チャンネルのスパイク波形の特徴情報を算出する。最後に、多次元の特徴空間におけるスパイクの分布に基づいて、classification EM (CEM)法や変分ベイズvarietional Bayes法などにより、個々のスパイクをクラスターに分類する。クラスタリングには米国で開発された[http://osiris.rutgers.edu/frontmid/indexmid.html KlustaKwik]や我が国の[http://etos.sourceforge.net/ EToS]などの無料ソフトウェアが公開されている。また、複数の重複したスパイクを分離するために、[[wikipedia:jp:独立成分分析|独立成分分析]] independent component analysis (ICA)が用いられることもある。

===ジャクスタセルラー記録===

注）[[パッチクランプ記録]]の一形態であるセル・アタッチcell-attached法は、概念上、細胞外からの単一神経細胞の電気的活動の記録法であるといえるが、この項では触れないこととする。

===アンペロメトリー===

　アンペロメトリーamperometry（アンペロメトリック電気化学検出法）は、微小カーボン電極を細胞に接近させ、細胞外に存在する特定の化学物質を測定する方法である。電極の電位を固定した状態で、電極周辺物質の酸化還元によって生じる電流を測定する。アンペロメトリーは神経細胞以外の細胞における開口放出の研究によく用いられてきたが、測定は酸化還元されやすい物質に限られているため、神経細胞におけるグルタミン酸やGABAなどの検出はできない。脳内において酸化されやすいドーパミンなどのカテコールアミンやセロトニンの測定に用いられることもあるが、その場合はアンペロメトリーよりも[[ボルタメトリー]] voltammetryがよく用いられいる（アンペロメトリーはボルタメトリーの一種）<ref><pubmed> 4145914 </pubmed></ref>。

==関連項目==

*[[パッチクランプ記録]]

*[[ボルタメトリー]]

==参考文献==

<references />

重要な関連語：局所フィールド電位記録、単一ユニット記録、マルチユニット記録、ジャクスタセルラー記録、傍細胞記録、アンペロメトリー、アンペロメトリック電気化学検出法