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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]]、[[ | 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]]、[[ボルタンメトリー]]などの記録方法と、それに最適な[[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== | ==細胞外記録とは== | ||
[[ファイル: | [[ファイル:trace_arrow.jpg|thumb|400px|'''図1．細胞外記録の一例'''<br>[[ラット]][[大脳皮質]]における局所フィールド電位とユニット活動の記録。矢印が主なユニットでそれ以外の成分が局所フィールド電位。]] [[脳]]や[[脊髄]]などの組織内の細胞間隙に電極を配置して、あるいは培養細胞などに電極を接触させて、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増幅し記録する方法を細胞外記録という。 | ||
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]] | 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ボルタン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== | ==細胞外記録に用いられる電極== | ||
[[ファイル:electrode.jpg|thumb|500px|'''図2．細胞外記録で使われる電極の例'''<br>A. 金属微小電極（タングステン電極）、B. テトロード、C. シリコンプローブ、D. ガラス電極（ジャクスタセルラー記録電極）]] 細胞外記録用の電極には、[[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[[wikipedia:ja:絶縁材料|絶縁材料]]で被覆した金属電極、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: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]]やボルタン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[[初代培養|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。 | 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[[初代培養|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。 | ||
===金属電極=== | |||
金属電極には、銀、タングステン、エルジロイ、ニクロムなどの材料が用いられる。テフロン被覆された銀線はニッパーなどで切断し、切断面に銀-塩化銀 （Ag-AgCl）膜を形成させてから局所フィールド電位記録に使用される。タングステンは電解研磨により先端を鋭くし、ガラスなどで絶縁コーティングすることにより単一ユニット記録用の金属微小電極として使用される。このタングステン電極は霊長類の硬膜を突き抜けるのに十分な強度を有する。エルジロイ合金もタングステンと同様の目的に使用されるが、電流を流すことで鉄イオンが組織中に沈着するため、記録部位のマーキングが可能である。またワイヤ・テトロードにはポリイミドなどで被覆された極細のニクロム線が多用されており、4本を撚り合わせることで強度を保っている。これは切断面を金メッキ処理することもある。 | |||
==細胞外記録の種類== | ==細胞外記録の種類== | ||
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目的とする脳部位に測定電極（関電極）を刺入し、十分に離れて電気的変動の少ない部位に基準電極（不関電極）を設けると、神経細胞の集団活動の結果生じる局所フィールド電位 local field potential (LFP）を記録することができる。一般には、低い[[wikipedia:jp:インピーダンス|インピーダンス]]（数百kΩ程度）の金属電極やガラス電極を使用し、１Hz以下から数百Hzまでの成分を含む、数～数百μV程度の振幅の電位変化を観測の対象とする。機械的変位に強く、行動中の動物から長期間にわたって記録することが可能である。大脳皮質の局所フィールド電位を頭皮上または[[硬膜]]下から間接的に測定したものが、それぞれ[[脳波]]（electroencephalogram, EEG）、[[皮質脳波]]（electrocoticogram, ECoG）である。そこで局所フィールド電位を[[深部脳波]]と呼ぶこともある。 | 目的とする脳部位に測定電極（関電極）を刺入し、十分に離れて電気的変動の少ない部位に基準電極（不関電極）を設けると、神経細胞の集団活動の結果生じる局所フィールド電位 local field potential (LFP）を記録することができる。一般には、低い[[wikipedia:jp:インピーダンス|インピーダンス]]（数百kΩ程度）の金属電極やガラス電極を使用し、１Hz以下から数百Hzまでの成分を含む、数～数百μV程度の振幅の電位変化を観測の対象とする。機械的変位に強く、行動中の動物から長期間にわたって記録することが可能である。大脳皮質の局所フィールド電位を頭皮上または[[硬膜]]下から間接的に測定したものが、それぞれ[[脳波]]（electroencephalogram, EEG）、[[皮質脳波]]（electrocoticogram, ECoG）である。そこで局所フィールド電位を[[深部脳波]]と呼ぶこともある。 | ||
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EPSP|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[[wikipedia:ja:陽イオン|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[[wikipedia:ja:双極子|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 | 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EPSP|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[[wikipedia:ja:陽イオン|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[[wikipedia:ja:双極子|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、局所フィールド電位（脳スライス標本：フィールドEPSPと集合スパイク、分散培養：集合スパイクのみ）を計測することが可能である。 | ||
===単一ユニット記録=== | ===単一ユニット記録=== | ||
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注）[[パッチクランプ記録]]の一形態である[[セル・アタッチ法|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。詳細は[[パッチクランプ法]]の項目参照。 | 注）[[パッチクランプ記録]]の一形態である[[セル・アタッチ法|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。詳細は[[パッチクランプ法]]の項目参照。 | ||
=== | ===ボルタンメトリー・アンペロメトリー=== | ||
ボルタンメトリーvoltammetryとアンペロメトリーamperometry（アンペロメトリック電気化学検出法）は、酸化還元反応を利用して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。検出できる物質は酸化されやすい[[ドーパミン]]などの[[カテコールアミン]]や[[セロトニン]]などに限られているが、近年ではそれ以外の物質も検出できるよう電極などの改良が進められている<ref><pubmed> 20926669 </pubmed></ref>。微小[[カーボン電極]]を脳内に刺入して特定の電圧をかけると、化学物質が電極に接近したときに酸化され、その結果電子の放出が起きて電流変化を引き起こす。電流変化は酸化された物質の数に依存するため、化学物質の相対的な濃度を調べることができる。 | |||
もっとも一般的なボルタンメトリーはfast-scan cyclic voltammetry (FSCV) で、与える電位を変化させることで化学物質の特定を可能にしている <ref><pubmed> 20484639 </pubmed></ref>。また、アンペロメトリーもボルタンメトリーの一種であるが、こちらは与える電位を一定にすることで時間分解能を高くしている。そのかわり、化学物質の特定はFSCVより難しい。アンペロメトリーはin vitroにおいては細胞における開口分泌の研究に用いられ、パッチクランプ法と組み合わせたパッチアンペロメトリーという方法も開発されている<ref><pubmed> 9333242 </pubmed></ref>。 | |||
==関連項目== | ==関連項目== | ||
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*[[細胞内記録]] | *[[細胞内記録]] | ||
*[[パッチクランプ記録]] | *[[パッチクランプ記録]] | ||
*[[ | *[[ボルタンメトリー]] | ||
==参考文献== | ==参考文献== | ||