津本 忠治
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DOI：10.14931/bsd.10457 原稿受付日：2023年6月12日 原稿完成日：2023年8月6日
担当編集委員：田中 啓治（国立研究開発法人理化学研究所 脳神経科学研究センター）
同義語：外側膝状体
羅：corpus geniculatum laterale、英：lateral geniculate nucleus (lateral geniculate body)、仏：corps géniculé latéral
外側膝状核とは、哺乳類脳の視床の後部外側に存在し、網膜からくる視覚情報を大脳皮質視覚野あるいは皮質下の領域に中継する神経細胞とその中継機能を修飾する介在神経細胞、及びグリア細胞からなる細胞集団である。視覚情報を単に中継する部位ではなく情報を修飾或いは変調する部位とも見られている。
構造
肉眼解剖
哺乳類脳の視床の後部（尾側）外側（耳側）に張り出している神経細胞の集まり（核）で、名称はこの細胞集団の形状が膝状に折れ曲がっていることに由来する（図1）。背側に大きく張り出している背側核 (lateral geniculate nucleus dorsal nucleus, 以下LGNdと略)と腹側に位置する比較的小さな腹側核 (lateral geniculate nucleus ventral nucleus, 以下LGNvと略)に別れる。
入出力
LGNdは哺乳類では層状構造を示すことが知られているが層の数や細胞構成は動物種によって大きく異なる[1][1]。研究が進んでいる多くの霊長類では6層構造を示し第1、4、6層は反対側の網膜から、第2、3、5層は同側の網膜から入力を受ける（図2）。
同様に多くの研究が行われているネコでは3層構造で第1層と第3層が反対側網膜から、第2層が同側網膜から入力を受ける。第1層はA層、第2層はA1層、第3層はC層と呼ばれる。その腹側部にはさらにC１, C2層と呼ばれる亜層が存在する。一方、ラットやマウスなど夜行性齧歯目動物では視床の背外側部に顕著な張り出し無しに帯状に存在し、層構造は明瞭ではない。ただ、トレーサーなどを使った研究によると外側部分は対側眼から入力を受けるが、中間層の一部には同側眼から入力を受ける部分があるという隠れた層構造がみられる。リスなど、齧歯目でも昼行性の比較的視覚の発達した動物ではより明瞭な層構造が見られる。
細胞構築
神経細胞レベルでは、網膜からの情報を大脳皮質視覚野に中継する細胞（relay cell）、この中継を修飾、或いは変調する介在細胞からなる。LGNdでは、中継細胞はさらに比較的大型の大細胞（ネコではY cell、霊長類ではmagnocellular cell、或いはM cellと呼ばれる）と小型の小細胞(ネコではX cell、霊長類ではparvocellular cell、或いはP cellと呼ばれる)が存在する[2][2]。霊長類では背側の4層は主にP cellから、腹側の2層は主にM cellからなり、各層の腹側部分にkoniocellular cellあるいはK cellが見られる。ネコではC層やC1、C2層にはW cellと呼ばれる細胞群が存在する。ラットやマウスのLGNdでは、同様に3種に分けることができネコに準じてX-like、Y-like、W-like cellと呼ばれる[3][3]。LGNdの神経細胞の形態や機能は視覚の発達している動物で多く研究されてきたので、本稿では主にサルやネコのLGNdに関する知見を解説するが、最近増えてきたマウスやラットの知見も追加的に紹介する。
背側核の機能
受容野の網膜部位対応細胞配列
上述のように各層の中継細胞は反対側或いは同側の網膜から入力を受けるので、どちらかの目に入った光刺激にのみ反応するという単眼反応性を示す。この反応を惹起する部位は視野の特定の部位に限局しており受容野と呼ばれる。この受容野は、ネコLGNd中継細胞ではオン中心オフ周辺或いはオフ中心オン周辺の対立する同心円状の中心周辺拮抗型の構造を示す。他の動物種ではそれ以外の受容野構造の存在も報告されているが、基本的には視覚入力を受けるそれぞれの網膜神経節細胞の受容野とほぼ同じ構造である。
中継細胞のLGNd各層における配列は、その受容野の視野における位置に応じた順序だった配列（網膜部位対応配置と呼ばれる）をしている。例えば、ネコLGNdにおける配置の場合は、A層鼻側（内側）には対側網膜からくる中心視部分に受容野をもつ細胞が位置し、その真下のA1層には同側網膜の同じ視野部分に受容野をもつ細胞が位置する。各層の耳側（外側）に行くにしたがって対応する受容野は視野の周辺に移る。これら視野の対応する部位に受容野をもつA層とA1層の中継細胞は大脳皮質第一次視覚野の同一細胞に投射することから大脳皮質細胞の両眼反応性が成立する。ただ、最も周辺で対側眼だけで対象物を見る単眼視部分からの情報を中継する細胞は最外側に張り出しA1層を伴わないA層最外側部に位置する（図2）。ラット、マウスのような齧歯目では、両眼が顔面の外側に位置し、対象を両眼で見る両眼視野が約30度しかないので同側眼からの視野情報を中継する細胞は対応する対側眼からの視野情報を中継する細胞の近傍に細く線状の配列を示す。
機能分化した背側核細胞の並列的視覚情報中継機能
サルLGNdのP cell（ネコのX cell）は軸索伝導速度が比較的遅い網膜神経節細胞から入力を受け低速の視覚情報中継に関与するが、受容野が小さいので空間分解能の良い情報処理に関与している。また、色の情報処理にも関与している（ネコでは該当しない）。M cell（ネコのY cell）は軸索伝導速度の速い網膜神経節細胞から入力を受け、持続の短い一過性反応を示し、高速で時間分解能の良い情報処理に関与している。K cell（ネコではW cell）の機能はそれほど明らかでないが、大脳皮質視覚野への第三の中継チャンネルとなっている。このようにP cell、M cell、K cellは視覚情報を属性別の並列的なチャンネルを通して大脳皮質に中継している。以下に各中継細胞の機能を表として示す。
| P cell | M cell | K cell | |
|---|---|---|---|
| 光波長/反対色選択性 | 有 | 無 | 部分的（青-オン等） |
| 輝度のコントラスト感度 | 低 | 高 | 高 |
| 受容野サイズ | 小 | 大 | 大 |
| 空間分解能 | 高い | 低い | 種々 |
| 入力源となる網膜神経節細胞 | ミジェット細胞 | パラソル細胞 | 一部、青オン型小型両層細胞 |
| 細胞サイズ | 小 | 大 | 種々 |
| 軸索の伝導速度 | 遅い | 速い | 種々 |
| パルス状光刺激に対する反応 | 持続的 | 一時的 | 一時的 |
| 刺激に対する反応の線形加算性 | 有 | 有(75%)、無(25%) | 有 |
| 細胞数の割合 | 約80% | 約10% | 約10% |
参考文献[4]5より改変。
視覚情報中継の動的修飾、変調機能
LGNdは単に視覚情報を中継するだけでなく状況に応じて情報を修飾或いは変調する部位としても重要な機能をもっている。
介在細胞及び膝状体周辺核細胞からのGABA抑制による中継細胞活動の修飾
LGNd各層には中継細胞より小さい細胞体を持ち樹状突起を層の向きにほぼ垂直に張る介在細胞が存在する[1][2] [1,2]。これらの細胞は軸索を核外に伸ばさずに近隣の中継細胞の樹状突起に接続する。GABAを伝達物質として中継細胞活動を抑制していると考えられている。この抑制は網膜神経節細胞の受容野で既にみられる反応対立型（中心がオンの場合、周辺はオフ反応、逆に中心がオフの場合、周辺がオン反応を示す）の周辺抑制をさらに強化していると考えられている。つまり視覚情報の空間分解能を改善するのに役立っている。また、M cell（或いはY cell）のシステムでは、中継細胞の出力軸索が側枝を介在細胞に伸ばしその抑制活動によって中継細胞の興奮を中断するという回帰性抑制回路を作動させる。この回帰性抑制は中継機能の時間分解能の改善に役立っていると考えられている。また、この介在細胞による抑制回路は視覚情報中継を減弱或いは遮断するなど後述する中脳など他の領域からの修飾作用点となっている。
視床の外側には外側膝状体のみならず体性感覚中継核である視床腹側基底核等を覆う形で視床網様核が存在する。この核は外側膝状体の場合は、膝状体周辺核（perigeniculate nucleus）と呼ばれる。この核の神経細胞は中継細胞が大脳皮質に送る軸索の側枝を受け、その中継細胞にGABA性の抑制性シグナルを送り返す。この膝状体周辺核からの抑制も介在細胞からの抑制と同様、周辺抑制の強化など情報中継機能の修飾に貢献していると想定されている。
脳幹からの変調作用
視床の感覚情報中継機能は脳幹網様体賦活系の影響を受けることは古くから良く知られているが、その中でもLGNdが受ける作用に関しては多くの研究がある。脳幹網様体のなかでも特に橋部の結合腕傍核領域(parabrachial region)と呼ばれる部分からLGNdに投射しているアセチルコリン作動性の投射が変調作用に関与しているという[1][1]。アセチルコリン作動性投射のもう一つの源はマイネルト基底核を含む前脳基底核にもある。これらのアセチルコリン作動性投射はLGNd中継細胞の樹状突起や介在細胞のシナプス前突起に接続している。アセチルコリン作動性投射は睡眠覚醒にも関与しているので、この投射系の存在は意識状態によって視覚情報の中継が変調されることを意味している。具体的には中継細胞の反応をより持続的にしたり受容野の中心－周辺の対比を強めたりするという。これは覚醒によって空間分解能が向上することに関与していると解釈されている。一方、青斑核からのノルアドレナリン作動性の投射がLGNdにみられることからノルアドレナリン投射系が睡眠覚醒状態による中継機能の変調に関与しているとの想定もある。また、中脳の縫線核と呼ばれるセロトニン作動性投射の起始核からの投射がみられ、セロトニンをLGNd中継細胞に直接投与すると弱い抑制的作用がみられることからこの縫線核からの投射もLGNdを介して視覚情報中継の変調に関与していると想定されている。
大脳皮質からのフィードバック投射とその機能的役割
LGNdには投射先である大脳皮質視覚野より下向性（遠心性）の投射がある。ネコやサルなど層構造の明瞭なLGNdにはその投射線維の終末は単一の層内に分布するが、ラット、マウスなど層構造が明瞭でないLGNdでは全体に分布するという。ただ、この遠心性投射には中継細胞よりは少し緩いが網膜部位対応があり、元の中継細胞とその近傍に情報を送り返すというフィードバック回路を形成する。この大脳皮質→LGNd遠心性投射は量的にはLGNd→大脳皮質の求心性投射を陵駕する濃密なもので、ネコのLGNdでは網膜神経節細胞軸索が形成するシナプスは全シナプスの5-10％であるのに対して大脳皮質からの遠心性投射軸索が形成するシナプスは30-50％を占めると推測されている[5][6]。ただ、前者は樹状突起近位部にあるのに対して後者は遠位部に分布する。すなわち網膜からの入力は効率よく中継細胞を駆動できるのに対して皮質からの遠心性投射の効率は比較的低い。したがって、前者をdriver synapse 後者をmodulator synapseと考える場合がある。また、大脳皮質からの遠心性投射線維は前述した介在細胞や膝状体周辺核の抑制性細胞にも投射している。
このように量的には多いが、質的に個々の結合の伝達効率という面からみると必ずしも強くない大量の遠心性投射の機能的意義に関しては未だ充分には解明されていない。Tsumotoらは、同時記録したLGNd中継細胞と大脳皮質細胞活動の相互相関解析によって受容野が対応する場合は興奮性に作用し、周辺のLGNd細胞には抑制性に作用することを明らかにした[6][7]。すなわち、このフィードバック投射は視覚情報処理の空間分解能の先鋭化に寄与している可能性を示した。その後、Sillitoらは線状の刺激が長くなると反応が減弱するという長さチューニング等最適刺激の先鋭化に貢献していると報告している[5][6]。ただ、これらの知見は未だ散発的でこの量的には求心性投射をはるかに陵駕する大量の遠心性投射の機能的意義の全貌は未だ明らかでない。
腹側核細胞の機能
LGNvはサルやネコではLGNdに比してかなり小さいが、ラットやマウスではLGNdとほぼ同じ大きさであることなどからLGNvは主にラットやマウスで研究されてきた。このLGNvは構造的には、外側大細胞層(magnocellular external lamina)と内側小細胞層(parvocellular internal lamina)に分けられる[3][3]。前者は網膜節細胞より密な投射を受けるが、後者はほとんど網膜より投射を受けない。また、両者とも大脳皮質に直接軸索を送る細胞が存在しないという点でLGNdとは大きく異なる。さらに、細胞の大部分がGABA作動性であるという点でもLGNdと異なっている。外側大細胞層の細胞は光刺激に反応するがその受容野はLGNdの中継細胞に比べて大きく、その反応は確実性を欠き刺激の点滅に対する追従性が弱いという[3][3]。これは網膜神経節細胞軸索のシナプス前終末がLGNvではLGNdより小さく単純であるという形態学的な知見に対応するという。LGNv細胞は、外側大細胞層細胞でも、網膜以外の種々の領域からも入力を受けている。最も顕著なものは上丘浅層からである。上丘浅層は、視覚刺激の方向を向く、接近する、或いは離れる（逃げる）等の視覚誘発運動や眼球運動に関与しているので、LGNv細胞もこれらの運動に関与していると想定されている[7][4]。その他、前述の脳幹からの変調作用の節で言及した脳幹の諸領域からの入力も受けている。
出力先としてLGNv細胞の多くは上丘浅層に軸索を送っている。また、視交叉上核(suprachiasmatic nucleus)にも投射しているのでLGNv細胞の一部は概日リズムの修飾にも関与していると想定されている[7][4]。ただ、上記のようにLGNvの細胞の多くはGABA作動性で核外の離れた領域に抑制性の投射をしているので、GABA作動性遠隔投射回路が脱抑制を起こすという大脳基底核回路機能との類推から上丘における抑制回路を抑えて視覚誘発運動を惹起する機能があるのではないかとの推測もある[4][5]。
関連項目
参考文献
- ↑ 1.0 1.1 1.2 E.G. Jones, Ed (2007).
The Thalamus. Second Edition, Vol. II Part IV. Individual Thalamic Nuclei, 9. The lateral geniculate nucleus. Cambridge University Press, New York. - ↑ 2.0 2.1 Sherman S.M. & Guillery R.W. (2003).
The Visual Neurosciences (Eds. Chalupa L.M. & Werner J.S.) Chapter 35 The Visual Relays in the Thalamus. [DOI] - ↑ 3.0 3.1 3.2
Ciftcioglu, U.M., Suresh, V., Ding, K.R., Sommer, F.T., & Hirsch, J.A. (2020).
Visual Information Processing in the Ventral Division of the Mouse Lateral Geniculate Nucleus of the Thalamus. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience, 40(26), 5019-5032. [PubMed:32350041] [PMC] [WorldCat] [DOI] - ↑ 4.0 4.1
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The Visual Neurosciences (Eds. Chalupa L.M. & Werner J.S.) Chapter 37 Feedback Systems in Visual Processing. The MIT Press, Cambridge Massachusetts USA & London UK. [DOI] - ↑
Tsumoto, T., Creutzfeldt, O.D., & Legéndy, C.R. (1978).
Functional organization of the corticofugal system from visual cortex to lateral geniculate nucleus in the cat (with an appendix on geniculo-cortical mono-synaptic connections). Experimental brain research, 32(3), 345-64. [PubMed:210031] [WorldCat] [DOI]