進化的見地からみた脳

7-5-2015 updated

  1. 概要
    1. 脳にかかる進化圧
    2. 異種間比較の方法論
  2. 脳の大きさ
  3. PFC の発達とドーパミン

脳の領域

 

関連項目



概要

脳にかかる進化圧

脳 brain は代謝が活発な器官であり,ヒトでは体重のわずか 2% を占めるに過ぎないが,静止状態でも総エネルギーの約 20% を使用している(3I)。 したがって,脳の発生には以下のような進化圧がかかっていると考えられる。

 

> 神経 neuron が,エネルギー消費がなるべく少なくなるように配置されている(2I)。

: 頻繁にコミュニケーションをとるような神経の間には,明瞭な投射が存在する。

 

> その種がどれだけ安定してエネルギーを摂取できるかによって,脳の大きさが決まる。

 

 

異種間比較の方法論

異なる種で,相同な領域を対応づけるための手段として,以下の5点が挙げられている(2)。

  1. 他の領域との投射による結合と,その相対的な強度(神経の本数)。
  2. 電気生理学的,行動学的な機能
  3. 神経伝達物質やその受容体の分布
  4. 発生
  5. 層構造などの特徴(近縁種の場合のみ)

 

原文の表現は以下の通りである。

  1. the pattern of specific connections and relative density of these connections.
  2. the functional (i.e. electrophysiological and behavioral) properties
  3. the presence and specific distribution of different neuroactive substances and neurotransmitter receptors
  4. the embryological development
  5. only for the closely related species, the cytoarchitectonic characteristics. 

脳の大きさ

> 哺乳類では,脳の大きさは種によって大きく異なる(下図,文献 1 より)。

: トガリネズミ Suncus etruscus 0.060 g, sperm whale Physeter macrocepharus 9.200 kg.


哺乳類が高い知性をもっていることは,PFC 領域が大きくなったことと関係していると考えられている(6)。

: 脳の絶対的な大きさでなく,体サイズとの比 の方が重要とされる。


脳の大きさの種間比較

PFC の発達とドーパミン

Prefrontal cortex (PFC, ヒトラット)へのドーパミン dopamine 神経の 限定的な投射 に関する大変興味深い論文があったので,この項ではその概要を紹介する(4)。


右の図は,dopamine pathway(青)と serotonin pathway(赤)の比較である(5)。

 

両方とも,脳の深い部分から表面の大脳皮質 cortex に投射しているが,cortex 全体にわたって投射のみられる serotonin に対して,dopamine の投射は frontal cortex に限定されていることがわかる。


 

Dopamine (DA) innervation は,5HT, NE など他の神経に比べて非常に少ない。ほぼ PFC と temporal cortex のみと言ってよい。以下のような点から,DA は PFC が成熟する段階を調節する因子である と考えられる。

 

> DA innervation を受けている PFC の発達は,そうでない領域に比べて遅い。ヒトでは青年期までかかる。

> DA projection 自体も,5HT projection などに比べて成熟が遅く,PFC とほぼ同時期に成熟する。

> Rat では, neonatal DA depletion で PFC pyramidal neuron が小さく,dendrite も短くなる。

> DA projection を受けていない領域では,もっと早く成熟する。

 

PFC の完成が遅れることで,シナプス構造を複雑にすることが可能 である。これは,環境条件によっては適応的に作用する。 Chronic stress で DA release が低下するという現象を考えてみる。

 

> Chronic stress が PFC の発生を抑制するという直接の証拠はないが,統合失調症などの発症リスクが上がる。

> PFC 発生が遅れることで,複雑な構造をとることが可能になり,ストレスに適応できる可能性が上がるのかも。

> 注意散漫かつ活動的になる精神疾患 ADHD では,DA release in PFC が少ない。

> 現代社会では病気とみなされるが,ストレスの多い自然環境を考えた場合には,この変化はむしろ適応的だろう。

 


 

統合失調症 schizophrenia についても,DA release in PFC が低下するという立場から,以下のように論を進めている。

 

> ヒトが他者の心を推測したりする脳機能を,心の理論 (Theory of mind, ToM) という。

> これは,他の個体と近くで過ごす(社会的活動を営む)うえで適応的である。

> ToM は PFC によって主に制御されている。DA release in PFC が低いと,ToM にも異常が現れるだろう。

> 統合失調症患者は,他人の気持ちを推し量る能力が低い(low ToM)というデータがある。

> また,妄想 delusion や幻覚 hallucination などの陽性症状は,ToM が過剰に発達した結果と考えることも。

> DA, PFC, ToM の統合がうまくとれない状態が,統合失調症の病態の一部を作っているかもしれない。

 

以上の指摘は全般に説得力のあるものであるが,統合失調症では PFC への DA projection は多くの場合 hyperactive である。 したがって,この点については発想を逆転させた方が,多くのデータがよく説明される。つまり,

 

> 統合失調症の原因として,PFC の発生異常の方が先にあり,これに対する補償として DA release が増える。

> 補償しきれた場合は症状は現れないが,DA による急速な PFC 発生促進でシナプスが十分に形成されない場合も。

> 結果的に,PFC の機能不全によって認知症状が,DA によって陽性症状が現れる。

> Dopamine 受容体のブロックによって陽性症状が軽減されることも,過剰な DA の影響を支持する。

 

 

ただし,統合失調症の原因を一つに限定する必要はないので,DA release in PFC が阻害されるのが根本原因であるパターンもあるかもしれない。また,両者の複合(DA release が低下し,PFC の発生が遅れる。のちに DA release が上がる)というケースも考えられる。

 

最後に,筆者らは domesticated animals について言及する。

 

> Domesticated animals は,多くの場合ネオテニーを呈し,発達した PFC をもつ。

> イヌなどが顕著な例である。ネオテニーのような風貌と cerebral DA level が相関しているとする報告もある。

> これらは,wild animal に比べて DA - PFC の系が進化した系統であり,モデルとして興味深い。

> アルツハイマー病パーキンソン病などの病気も,wild ではみられないが,イヌでは類似のものがある。

 

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References

  1. Defelipe 2011a (Review). The evolution of the brain, the human nature of cortical circuits, and intellectual creativity. Front Neuroanat 5, 29.
  2. Uylings et al. 2003a (Review). Do rats have a prefrontal cortex? Behav Brain Res 146, 3-17.
  3. Attwell & Laughlin 2001a (Review). An energy budget for signaling in the gray matter of the brain. J Cereb Blood Flow Metab 21, 1133-1145.

  4. Lee & Goto,2015a (Review). Prefrontal cortical dopamine from an evolutionary perspective. Neurosci Bull 32, 164-174.
  5. "Dopamineseratonin". Licensed under Public Domain via Wikipedia.
  6. Kringelbach 2005a (Review). The human orbitofrontal cortex: linking reward to hedonic experience. Nat Rev Neurosci 6, 691-702.