前頭前皮質 (前頭葉前部皮質) Prefrontal cortex (PFC), ヒト

6-10-2015 updated

  1. PFC の場所(ヒト)
    • 投射による PFC の定義
  2. PFC の場所(ラット)
  3. PFC のさらに細かい構造と機能の概要
  4. 他の領域との connection

関連項目


PFCの場所(ヒト)

PFC の場所としては,「motor area の前方」というのが最もシンプルかつ基本的な説明である。

 

Wikipedia 前頭前皮質(PFC)では,かつて図1が PFC の位置を示す図として載っていたが,現在(5-25-2014)ではこの図はまだ残っているものの,図2,図 3 が上の方にきている。

 

Broadmann area を明示したちゃんとした論文で調べてみると,orbitofrontal cortex (OFC) を PFC の一部とする方が一般的なようである。


脳科学辞典(15)では,前頭前野 prefrontal area の同義語として前頭連合野,前頭前皮質 prefrontal cortex,前頭顆粒皮質が挙げられており,area と言った場合も皮質 cortex のみを指すのが一般的なようである。

図1. ヒトPFCの位置を示しているが,orbitofrontal cortex (OFC) を含んでいない。

図2. OFC を含む図。たぶんこっちのが正確な PFC。



図3. Broadmann area との対応を示したもの。Gray's Anatomy の由緒正しいマップである。

 

PFC に関係する Broadmann 領域は以下のように定義されている。

 

  • Dorsolateral PFC: 8, 9, 46, 44, 45, lateral 47
    • Posterior dorsolateral: 8
    • Mid-dorsolateral: 9, 46
    • Ventrolateral: 44, 45, lateral 47
  • Orbitofrontal PFC: 10, 11, 47(ref. 12).
    • この領域は orbitofrontal cortex (OFC) と呼ぶのが一般的である。
    • Area 10 is also called: frontopolar, anterior, or rostral.


> 文献11では,ヒトPFCを orbital-like, dorsolateral-like, anterior cingulate-like に分けている(11)。

投射による PFC の定義

PFC を定義する試みは古くからなされていた。現在は,PFC には単一の指標による定義がない(11; the lack of a single anatomical or functional definition of 'prefrontal cortex'...)とされているが,かつては以下のような定義が検討された。

 

> PFCは,古くは frontal granular cortex と呼ばれていた(11)。

: この頃は,granular layer IV をもつ motor の前のクチバシ状の領域と定義されていた。

: 霊長類では motor area は agranular である(顆粒がない)ので見分けが容易だった。

 

> Rose & Woolsey (1948) までは,PFC は霊長類に特有という考えが一般的だった(11)。

: Rose & Woolsey の PFC の定義は, mediodorsal thalamic nucleus からの投射を受ける皮質。

 

しかし,複数の種で PFC に相当する領域を決定しようとすると,上記の定義では問題が生じることがわかってきた。たとえば,ラットの脳 rat brain では motor area は granular であるため PFC との境界がわからない(11)。

 

現在では,上記のような single anatomical criterion による定義は不適当と考えられており,視床 thalamus との相互の投射 reciprocal connections による定義が受け入れられている(11)。

 

> 文献 11 では, PFC を 「mediodorsal nucleus (MD) からの投射が最も強い領域」 と定義している。

: この定義によると,霊長類とラットで相同な PFC 領域が存在することになる。

: MD は視床の神経核 nucleus で,かつては PFC に投射する唯一の視床神経核と考えられていた。

: ただし,一つの領域でどの projection が強いかを決めるのが難しいことも指摘されている。

 

> 霊長類やラットでは,basal forebrain nuclei から皮質へのコリン作動性ニューロンの投射がある(11)。

: これに加えて,PFC は laterodorsal tegmental nucleus からも cholinergic fibers が来ている。

: PFC は,これらの神経核に対して投射を返している唯一の大脳皮質領域である。

 

> 同様に,VTA や substantial nigra からのドーパミン作動性ニューロンにも,唯一投射を返す(11)。


PFC の場所(ラット)


ラットの脳は,ヒトの脳よりもかなり単純な形をしている。下の図(文献9)に概略を示す。大脳皮質 cerebral cortex の容積はヒトの約1/1000であり,このように形態が大きく異なる脳で,対応する領域が存在するのかどうかについては議論がある(11)。

 

しかし,mediodorsal nucleus (MD) からの投射が最も強い領域 という PFC の定義を用いると,ヒト PFC と相同なラット PFCが存在すると考えられる(11)。 Fr2, ACd areas が含まれる(11)。


PFC のさらに細かい構造と機能の概要


構造

PFC は,部位に応じてさらに細かい部分に分けられており,さらにややこしいことに霊長類と齧歯類で名前が異なるが相同な部位というものが存在する。

 

Prefrontal cortex

Lateral PFC

Dorsolateral PFC: Parvocellular, lateral part of the mediodorsal nucleus of tha thalamus から直接の投射を受ける(18D)。

Ventrolateral PFC

Medial PFC (mPFC)

Ventral PFC



Lateral は側面,dorso- は背側なので dorsolateral は背側の側面,ventrolateral は腹側の側面にあたる。Medial は中央を意味する。


機能の概要


Prefrontal cortex は,高次の思考や想像性を担う脳の最高中枢であると考えられている(15)。

 

記憶 memory および作業記憶 working memory

 

> PFC は working memory に,海馬 hippocampus は long-term memory に関わる(10I)。

> Lateral PFC がとくに working memory に関連が深いとされる(3I)。

> ヒトおよびサルで,dorsolateral frontal region の損傷により working memory が低下する(11,14I)。

 

逆転学習 reversal learning

 

> Ventral PFC および dopaminergic system が probabilistic reversal learning に関わっている(16I)。

 

Inhibitory effect

 

> アルコール依存など,体に悪いことを知っていることに対して抑制する作用 inhibitory effect を担う(2I)。

: Food cue に対する right medial PFC の活性化が,肥満のヒトで弱い(4R)。

> Inappropriate behavioural responses を制御し,food reward, satiety の両方に関わる(6)。

: この領域の活性化が,食欲の増進または抑制のどちらを意味するか不明である。

 

 

> mPFC は,ラットおよびヒトでストレス応答を限定する機能をもっている(7D)。

: 統合失調症モデル MAM rat でストレス応答性が弱いが,この領域が関わっているかもしれない。

 

> 統合失調症モデル MAM rat で,PFCニューロンの静止膜電位が高い。行動異常と関連するかも(5R)。

> コカイン cocaine の使用は,PFC の容積,血流,グルコース代謝を低下させる(17I)。

 

 

霊長類と齧歯類の比較


ラット mPFC を欠損させた際の変化は,霊長類の dorsolateral PFC 欠損時の変化に非常に良く似ている(11)。そのため,霊長類の dlPFC は齧歯類の mPFC と相同である と考えられており,高次の脳活動である作業記憶 working memory (8I,13)や set-shifting (8I)に関わる。この領域の機能不全が,統合失調症 schizophrenia などの精神疾患の一因と考えられている。


具体的には,以下の行動の impartment が起こる(11)。


  • Visual working memory
  • Strategy formation
  • Spatial reversal
  • Habituation
  • Skilled reaching
  • Motor sequencing
  • Attention
  • Attention set shift
  • Food hoarding
  • Feat extinction
  • Conditioned emotional responses
  • Operant reversal learning
  • Conflict behavior
  • Operant working memory

他の領域との connection


大脳皮質の他の領域との connection

> Premoror, somatosensory, auditory, visual, olfactory, gustatory area と繋がっている(11)。

: 霊長類,とくにマカクでは,dorsolateral PFC が他の領域とたくさん繋がっている。

> ドーパミン作動性 neuron が腹側被蓋野(ふくそくひがいや, ventrotegmental area, VTA)から投射(1)。

References

  1. Rondou et al. 2010a (Review). The dopamine D4 receptor: biochemical and signaling properties. Cell Mol Life Sci 67, 1971-1986.
  2. Volkow et al. 2008a. Low dopamine striatal D2 receptors are associated with prefrontal metabolism in obese subjects: possible contributing factors. NeuroImage 42, 1537-1543.
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  4. Stoeckel et al. 2008a. Widespread reward-system activation in obese women in response to pictures of high-calorie foods. NeuroImage 41, 636-647.
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  7. Zimmerman et al. 2013a. Abnormal stress responsibility in a rodent developmental disruption model of schizophrenia. Neuropsychopharmacology 38, 2131-2139.
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  9. Cheung and Cardinal 2005a. Hippocampal lesions facilitate instrumental learning with delayed reinforcement but induce impulsive choice in rats. BMC Neurosci 6, 36.

  10. Goto and Grace 2006a. Alterations in medial prefrontal cortical activity and plasticity in rats with disruption of cortical development. Biol Psychiatry 60, 1259-1267.

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  4. Goto & Grace 2006a. Alterations in medial prefrontal cortical activity and plasticity in rats with disruption of cortical development. Biol Psychiatry 60, 1259-1267.
  5. 脳科学辞典 前頭前野 Web.
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