メインメニューを開く

脳科学辞典 β

視床ゲート機構

これは、このページの承認済み版であり、最新版でもあります。

尾崎 弘展
東京女子医科大学・医学部・第一生理
DOI:10.14931/bsd.7682 原稿受付日:2018年4月17日 原稿完成日:2018年5月21日
担当編集委員::田中 啓治(独立行政法人理化学研究所 脳科学総合研究センター)

英:thalamic gating  (狭義:sensory gating of thalamus)

 末梢からの感覚情報が視床を経由する際に、上位中枢である大脳皮質へ送る情報を選択する機構。抑制性細胞の集合体である視床網様核が中心的な役割を担っていると考えられる。感覚系視床において主に取り上げられることが多い概念だが、運動系視床も基本的に同じ構造の回路を持ち、同様のゲート機構と提案されている。

目次

視床ゲート機構とは

 嗅覚を除く感覚系の情報は視床(例:外側膝状体視覚)、内側膝状体聴覚))を経由して大脳皮質一次感覚野へと送られる。この際、すべての情報がそのまま伝達されるわけではなく、視床において情報が選別されている。Crickが提唱した「サーチライト仮説」は視床ゲート機構に果たす視床網様核の役割を分かりやすく説明しており[1]図1)、視床網様核からの抑制性入力によって、大脳皮質へ送る情報と送らない情報を選別する機構があると考えられている。

神経回路 

 
図 1 サーチライト仮説のイメージ
視床で大脳皮質へ送られる情報(必要な情報)と送られない情報(不要な情報)が選別されている。選別には視床網様核からの抑制性入力が中心的な役割を担っている。
 
図 2 視床ゲート機構に関与する主要回路
○は興奮性細胞、●は抑制性細胞を表す。視床網様核から強い抑制が入ると、感覚入力は上位中枢の大脳皮質まで送られない。
 
図 3 視床と視床網様核の結合関係
A. 側方抑制、B. 反回抑制の両者が存在する。○は大脳皮質へ投射する視床の細胞(興奮性)、●は視床網様核の細胞(抑制性)。

 視床ゲート機構に関する回路を初期感覚系に絞って単純化すると図2のようになる。視床網様核には抑制性細胞のみが存在しており、大脳皮質へ投射する視床細胞へ抑制性入力(図2点線)を与えている。視床網様核の細胞は、視床中継細胞の軸索側枝と大脳皮質6層の細胞の軸索側枝から興奮性入力を受ける[2]図2)。

 感覚系、特に視覚系においては古くからこの回路に着目し、視床網様核を中心とした抑制系が大脳皮質への情報のゲート機構を果たしている可能性が示唆されてきた[3][4]。感覚系のみならず、運動系視床においても視床網様核を介した同様の機構が存在する[5][6]。さらに、マカクサルを用いた解剖学的研究において前頭前野からも視床網様核が投射を受けることが分かっており[7]、感覚・運動系のみならず、注意などに関わる前頭前野も視床網様核を介して視床ゲート機構を制御していると考えられる。    こうした視床ゲート機構を作り出すには、視床と同様、視床網様核もトポグラフィーを持ち、さらに視床網様核が視床に対して側方抑制(lateral inhibition)を与えていることが必要である。それらを支持する回路基盤がトポグラフィー[6][8][9][10][11]、側方抑制[10][11][12][13]図3A)の両面で示されてきた。また、視床と視床網様核の間には反回抑制の回路(図3B)もあり、これらは睡眠―覚醒時の視床の神経活動の同期性を調節することにより、大脳皮質への情報の伝達へ重要な役割を果たしている可能性がある[14]

具体例

視覚

 視床において視覚的「注意」が向いた対象の信号を増強し、それ以外の信号を抑制することが報告されている[15][16][17][18]。視床網様核の働きにより、「注意」が向いている視野に受容野を持つ視床外側膝状体の神経細胞の活動は上昇し、その周囲、すなわち「注意」が向いていない部位に受容野を持つ神経細胞の活動は減弱する[16]。このことによって「注意」を向けた対象物の視覚情報を選択的に大脳一次視覚野に伝達することができる。

体性感覚

 ヒト体性感覚視床である後腹側核(ventral posterior nucleus)領域に梗塞が起きた患者において、視床ゲート機構の障害が観察されたという報告がある[19]

聴覚

 げっ歯類ラット動物実験において、特異な音に注意を払うといった聴覚的「注意」によって視床網様核を介して内側膝状体の活動が制御されることが知られている[20]。ヒトでは統合失調症患者において、視床ゲート機構の機能低下あるいは消失が聴覚に関して報告されている[21][22]

痛覚

 内臓痛に関連して視床ゲート機構が働いているという報告がある[23]。また、麻酔時や睡眠時の感覚入力遮断にも視床ゲート機構が重要な働きを担っている[24][25]

複数の感覚間での視床ゲート機構

multi-modal thalamic gating

 視床網様核の神経細胞には、視覚、聴覚といった単一モダリティにのみ選択性をもつものだけでなく、例えば視覚に対して応答する細胞が聴覚に対しても応答するように、複数の感覚モダリティの入力に反応する細胞があることが知られており[26][27][28]、感覚を跨いだゲート機構も有していると考えられる。

関連項目

参考文献

  1. F Crick

    Function of the thalamic reticular complex: the searchlight hypothesis.
    Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.: 1984, 81(14);4586-90 [PubMed:6589612] [WorldCat.org]

  2. S M Sherman, R W Guillery

    Functional organization of thalamocortical relays.
    J. Neurophysiol.: 1996, 76(3);1367-95 [PubMed:8890259] [WorldCat.org] [DOI]

  3. W Singer

    Control of thalamic transmission by corticofugal and ascending reticular pathways in the visual system.
    Physiol. Rev.: 1977, 57(3);386-420 [PubMed:196301] [WorldCat.org] [DOI]

  4. D A McCormick, T Bal

    Sensory gating mechanisms of the thalamus.
    Curr. Opin. Neurobiol.: 1994, 4(4);550-6 [PubMed:7812144] [WorldCat.org]

  5. R W Guillery, S L Feig, D A Lozsádi

    Paying attention to the thalamic reticular nucleus.
    Trends Neurosci.: 1998, 21(1);28-32 [PubMed:9464683] [WorldCat.org]

  6. 6.0 6.1 Ying-Wan Lam, S Murray Sherman

    Functional topographic organization of the motor reticulothalamic pathway.
    J. Neurophysiol.: 2015, 113(9);3090-7 [PubMed:25717161] [WorldCat.org] [DOI]

  7. Basilis Zikopoulos, Helen Barbas

    Prefrontal projections to the thalamic reticular nucleus form a unique circuit for attentional mechanisms.
    J. Neurosci.: 2006, 26(28);7348-61 [PubMed:16837581] [WorldCat.org] [DOI]

  8. A Shosaku, Y Kayama, I Sumitomo

    Somatotopic organization in the rat thalamic reticular nucleus.
    Brain Res.: 1984, 311(1);57-63 [PubMed:6386105] [WorldCat.org]

  9. John W. Crabtree, Herbert P. Killackey

    The Topographic Organization and Axis of Projection within the Visual Sector of the Rabbit's Thalamic Reticular Nucleus.
    Eur. J. Neurosci.: 1989, 1(1);94-109 [PubMed:12106177] [WorldCat.org]

  10. 10.0 10.1 Ying-Wan Lam, S Murray Sherman

    Mapping by laser photostimulation of connections between the thalamic reticular and ventral posterior lateral nuclei in the rat.
    J. Neurophysiol.: 2005, 94(4);2472-83 [PubMed:16160090] [WorldCat.org] [DOI]

  11. 11.0 11.1 Ying-Wan Lam, S Murray Sherman

    Different topography of the reticulothalmic inputs to first- and higher-order somatosensory thalamic relays revealed using photostimulation.
    J. Neurophysiol.: 2007, 98(5);2903-9 [PubMed:17881481] [WorldCat.org] [DOI]

  12. J W Crabtree

    Organization in the somatosensory sector of the cat's thalamic reticular nucleus.
    J. Comp. Neurol.: 1996, 366(2);207-22 [PubMed:8698882] [WorldCat.org] [DOI]

  13. Hironobu Osaki, Tomoyuki Naito, Shogo Soma, Hiromichi Sato

    Receptive field properties of cat perigeniculate neurons correlate with excitatory and inhibitory connectivity to LGN relay neurons.
    Neurosci. Res.: 2018, 132;26-36 [PubMed:28916470] [WorldCat.org] [DOI]

  14. Qi Wang, Roxanna M Webber, Garrett B Stanley

    Thalamic synchrony and the adaptive gating of information flow to cortex.
    Nat. Neurosci.: 2010, 13(12);1534-41 [PubMed:21102447] [WorldCat.org] [DOI]

  15. Kerry McAlonan, James Cavanaugh, Robert H Wurtz

    Attentional modulation of thalamic reticular neurons.
    J. Neurosci.: 2006, 26(16);4444-50 [PubMed:16624964] [WorldCat.org] [DOI]

  16. 16.0 16.1 Kerry McAlonan, James Cavanaugh, Robert H Wurtz

    Guarding the gateway to cortex with attention in visual thalamus.
    Nature: 2008, 456(7220);391-4 [PubMed:18849967] [WorldCat.org] [DOI]

  17. K McAlonan, V J Brown, E M Bowman

    Thalamic reticular nucleus activation reflects attentional gating during classical conditioning.
    J. Neurosci.: 2000, 20(23);8897-901 [PubMed:11102499] [WorldCat.org]

  18. G D Weese, J M Phillips, V J Brown

    Attentional orienting is impaired by unilateral lesions of the thalamic reticular nucleus in the rat.
    J. Neurosci.: 1999, 19(22);10135-9 [PubMed:10559421] [WorldCat.org]

  19. W Richard Staines, Sandra E Black, Simon J Graham, William E McIlroy

    Somatosensory gating and recovery from stroke involving the thalamus.
    Stroke: 2002, 33(11);2642-51 [PubMed:12411655] [WorldCat.org]

  20. Xiong-Jie Yu, Xin-Xiu Xu, Shigang He, Jufang He

    Change detection by thalamic reticular neurons.
    Nat. Neurosci.: 2009, 12(9);1165-70 [PubMed:19684591] [WorldCat.org] [DOI]

  21. Andrew R Mayer, David Ruhl, Flannery Merideth, Josef Ling, Faith M Hanlon, Juan Bustillo, Jose Cañive

    Functional imaging of the hemodynamic sensory gating response in schizophrenia.
    Hum Brain Mapp: 2013, 34(9);2302-12 [PubMed:22461278] [WorldCat.org] [DOI]

  22. Michael Krause, William E Hoffmann, Mihály Hajós

    Auditory sensory gating in hippocampus and reticular thalamic neurons in anesthetized rats.
    Biol. Psychiatry: 2003, 53(3);244-53 [PubMed:12559658] [WorldCat.org]

  23. Daesoo Kim, Donghyun Park, Soonwook Choi, Sukchan Lee, Minjeong Sun, Chanki Kim, Hee-Sup Shin

    Thalamic control of visceral nociception mediated by T-type Ca2+ channels.
    Science: 2003, 302(5642);117-9 [PubMed:14526084] [WorldCat.org] [DOI]

  24. Nicholas P Franks

    General anaesthesia: from molecular targets to neuronal pathways of sleep and arousal.
    Nat. Rev. Neurosci.: 2008, 9(5);370-86 [PubMed:18425091] [WorldCat.org] [DOI]

  25. Michael M Halassa, Zhe Chen, Ralf D Wimmer, Philip M Brunetti, Shengli Zhao, Basilis Zikopoulos, Fan Wang, Emery N Brown, Matthew A Wilson

    State-dependent architecture of thalamic reticular subnetworks.
    Cell: 2014, 158(4);808-821 [PubMed:25126786] [WorldCat.org] [DOI]

  26. Akihisa Kimura

    Robust interactions between the effects of auditory and cutaneous electrical stimulations on cell activities in the thalamic reticular nucleus.
    Brain Res.: 2017, 1661;49-66 [PubMed:28202254] [WorldCat.org] [DOI]

  27. Akihisa Kimura

    Diverse subthreshold cross-modal sensory interactions in the thalamic reticular nucleus: implications for new pathways of cross-modal attentional gating function.
    Eur. J. Neurosci.: 2014, 39(9);1405-18 [PubMed:24646412] [WorldCat.org] [DOI]

  28. Akihisa Kimura, Isao Yokoi, Hiroki Imbe, Tomohiro Donishi, Yoshiki Kaneoke

    Auditory thalamic reticular nucleus of the rat: anatomical nodes for modulation of auditory and cross-modal sensory processing in the loop connectivity between the cortex and thalamus.
    J. Comp. Neurol.: 2012, 520(7);1457-80 [PubMed:22101990] [WorldCat.org] [DOI]