セミナー

生態構造機能学講座組織神経解剖学 私たちの身体を取り巻く環境は常に変化している．その環境の変化を適切に感じとり，その感覚情 報に基づき，環境に適応するように形態形成を行い，行動を変容させ生命を維持している．身体 のなかでも口腔は鋭敏な部位であり，その適切な感覚受容により食事や会 話などが成り立ってい る．口腔感覚の異常は ひりひりぴりぴりした不快な感覚として訴えられることが多く，持続する感覚 過敏病態はしばしば見られるが，適切な医療介入方法が定まっているとは言えない．私たちは， 2021 年にノーベル医学生理学賞の対象となった transient receptor potential channel vanilloid 1(TRPV1) と口腔感覚との関連に取り組んできた．アレルギー疾患で見られる機械的過敏や burning mouth syndrome 患者の症状と TRPV １との関連について の最近の私たちの知見をお話する．

頭頸部癌の放射線治療後の副作用やシェーグレン症候群でみられる唾液分泌障害では、 人工唾液や唾液分泌促進薬の応用が治療法としてあげられるが、必ずしも奏功しない重症例が少なからず認められる。 これらの症例においては、唾液腺実質組織の萎縮・消失が著しく、 失われた腺組織を新たに構築する再生医療の応用が期待されている。再生医療の主体である細胞治療では、多分化能を有する幹細胞の応用がなされている。 本講演では、唾液腺再生研究の概要についてお話しさせて頂き、現在演者が取り組んでいる多能性幹細胞を用いた3次元的唾液腺作製についても触れたいとおもいます。

一次性舌痛症は舌に疼痛などの異常感を訴えるものの、器質的または精神的要因の何れも見出せないものとされる。それゆえ、本症の診断・治療に苦慮することも少なくない。これは、本症が器質的・精神的要因の明らかな舌痛関連疾患を除外することでしか診断できない歯科臨床の現状によるものと演者は考える。 演者は本症患者を臨床統計学的に検討し、本症の特徴的な臨床症状として手掌部発汗を見出した。さらに、肌水分計を用いて手掌部発汗を定量的に評価した。手掌部発汗は交感神経の機能亢進によるものとされ、自律神経系の異常を示唆する。そこで、本症患者の唾液アミラーゼ活性を測定した。唾液アミラーゼは交感神経と交感神経－副腎髄質系（SAM axis）によって制御され、交感神経活動のバイオマーカーとされる。結果、本症患者の唾液アミラーゼ活性は亢進していた。 演者は直線偏光近赤外線星状神経節近傍照射（SGR）を用いて本症を治療している。SGRは交感神経の機能亢進を是正するとされる。事実、SGRは本症に対する治療効果を有し、手掌部発汗量と唾液アミラーゼ活性はその治療効果とも相関した。さらに、演者は心拍間変異（HRV）分析を施行した。HRV分析は心拍間の変異から自律神経活動を分析する手法である。結果、自律神経活動の易変性とSGRの治療成績との間に相関が認められた。したがって、手掌部発汗量と唾液アミラーゼ活性の測定ならびにHRV分析は本症の診断と治療のモニタリングに有用である可能性がある。

本セミナーでは、一次性舌痛症の積極的診断－見える化する試み－について解説する。 本発表について申告すべき利益相反はない。

歯の痛みは侵害性疼痛に分類され，歯科における最も一般的な疾患であるが，口腔顔面領域の痛みは多様であり，学部教育が十分には行われているとは言い難い状況にある。非歯原性疼痛の原因のひとつに神経障害性疼痛がある．神経障害性疼痛は侵害受容器が刺激されていない状況で痛みが発生するため，非ステロイド性抗炎症薬の効果が期待できない。

2017年6月，以前から神経障害性疼痛に適応のあったプレガバリンに，口腔内崩壊製剤が発売され。成人に対し初期用量1日150mgを2回に分けて投与し，その後1日用量300mgまで漸増する。1日最高用量は神経障害性疼痛で600mgとなっている。新たに発売されたプレガバリンの口腔内崩壊錠は，高齢化に伴って急増している高齢者の疼痛患者の利便性向上を目指して開発された製剤であり，特に嚥下機能が低下した患者などで有用性が高いと考えられる。また，既存のカプセル製剤との生物学的同等性も確認されている。

プレガバリンは神経障害性疼痛の薬物療法ガイドラインの多くでアミトリプチン，デュロキセチンなどと共に第1選択薬に位置付けられている。カルシウムイオンチャネルのα2δサブユニットに結合し，神経障害後に生じる延髄後角レベルでの神経伝達物質（グルタミン酸等）の一過性放出増大を抑え，鎮痛作用を発揮する。 副作用として，めまい（20%)，傾眠(20%)があり，「転倒」「転倒による骨折」「自動車事故」に至った例が報告されていることから，転倒や転倒による骨折への注意に加え，自動車の運転等危険を伴う機械の操作を行わないよう指導することが求められている。プレガバリンの薬物動態学的特性を理解し，適切な投薬処置を行うことが大切である。またプレガバリンはアカデミズムから生まれた創薬の例として興味深い歴史を持っており，今回特にその点を強調して取り上げたい。

Dept. of Anatomy and Neurobiol, School of Dentistry, Kyungpook National University I would like to present, in this seminar, our recent ultrastructural findings on the processing of craniofacial sensory information. Recently, we found that 1) P2X3 is also expressed in the brainstem astrocytes, preferentially in their fine processes as well as in primary nociceptive neurons, 2) the number of P2X3-positive fine astrocytic processes and the expression of P2X3 ins these processes are increased significantly in CCI-ION rats, compared to control rats, and 3) administration of MPEP, a specific mGluR5 antagonist, alleviated the mechanical allodynia and abolished the increase in P2X3 expression in fine astrocytic processes caused by CCI-ION. These findings reveal preferential expression of P2X3 in the fine astrocytic processes in the brainstem, propose a novel role of P2X3 in the fine astrocytic process in the mechanism of craniofacial neuropathic pain

Parvalbumin (PV), calretinin (CR), calbindin D-28k (CB), stage specific embryonic antigen-4 (SSEA4), and phosphorylated neurofilament 200 (pNF200) have been commonly used as markers for primary afferent neurons which are associated with large myelinated fibers. We examined type of fiber in which they are expressed by EM immunohistochemistry. PV, CR, CB and SSEA4 were expressed in small as well as in large myelinated fibers, but rarely in unmyelinated fibers, suggesting that they are expressed in both nociceptive and mechanoreceptive neurons, and can be used as specific markers for primary sensory neurons with myelinated fibers. However, pNF200 were expressed in all types of fibers, suggesting that NF200 is not a specific marker for primary afferent neurons with myelinated fibers.

分子標的薬の登場により、薬物治療に際し疾患部位における分子発現をあらかじめ確認することが重要になってきている。演者は核医学的手法と組織化学的手法を用いた診断薬剤の開発を行っている。 核医学的手法を用いた分子病理診断手法としては陽電子放出断層撮影法(PET)や単光子放出断層撮影法(SPECT)がある。PETやSPECTではまず標的分子に結合する薬剤に放射性元素を標識し、動物に投与する。その薬剤が標的に集積し、そこから放出された放射線を外部から検出することで薬剤標的分子の発現を低侵襲的に調べることができる。演者は今までペプチドや抗体などの高分子に放射標識を行い診断薬剤として調製し、腫瘍や動脈硬化部位に高発現する分子の検出法を開発してきた。またその研究の中で臨床研究にも成功している。本講演ではその内容について紹介する。 また分子病理診断としては、従来、外科的に取り出された疾患部位を用い、免疫組織化学的手法（免疫染色）により診断が行われてきた。ただ近年、免疫染色で用いる抗体の質が担保できず再現性が取れないことが問題となっている。そこで演者は抗体に替わり、一定の質を担保して合成可能なペプチドや低分子化合物などのリガンドを診断薬剤として調製し、その標的受容体を検出する方法を開発した。一例としてソマトスタチン受容体(SSTR)をそのリガンドで検出する方法を開発し、神経内分泌腫瘍のパラフィン包埋切片を用い、従来の免疫染色法とSSTRの検出感度を比較したので紹介する。 演者は分子病理診断において、臓器レベルのマクロな検出手法として核医学を、また細胞レベルのミクロな検出手法として組織化学を組み合わせて研究を行ってきた。現在、それにさらに内用放射線療法という治療法を組み合わせて、マクロからミクロの分子病理診断と治療までを一気通貫に行う方法を検討している。今後それを歯科口腔疾患に応用すべく検討を行っている。本講演のまとめとして、その紹介も行う。

繁冨先生は、慈恵医大を卒業後、Baljit Khakh教授のLabにてカルシウムイメージングを駆使したグリアのカルシウム応答について永年研究を続けて来られ、数年前から山梨大学の小泉修一教授とともにグリアの研究を続けられておられます。 今回は、中枢神経系におけるグリアの基本的知識を深めると共に、グリアがおよぼすニューロンの影響・修飾作用について最新の知見を講演下さいました。

骨が神経系の調節を受けていることは，多くの研究で明らかになりつつある。特に交感神経系が骨量を抑制的に支配していることについては多くの報告がある。一方，副交感神経系に関しては，解剖学的なエビデンスも乏しく，不明な点が多い。近年，非神経系細胞から放出されるアセチルコリンが，末梢で様々な生理作用に働いているとの知見が集積しつつある。この非神経性アセチルコリンのターゲットとして、・7ニコチン性アセチルコリン受容体が注目を集めている。・7ニコチン性アセチルコリン受容体はマクロファージに発現することが知られており，免疫系を迷走神経刺激が抑制する，いわゆる inflammatory reflex が提唱されている(1)。しかしながら，副交感神経と破骨細胞との関係についてはこれまで知られていなかった。我々はNFATルシフェラーゼベクターをRAW264.7細胞に発現させたcell-basedアッセイ系を構築し，ライブラリースクリーニングにより，コリンエステラーゼ阻害剤であるphenserineが破骨細胞に及ぼす作用を見出したことを端緒として，更なる検索を行い，・7ニコチン性アセチルコリン受容体アゴニストPNU-282987が，骨芽細胞分化を促進すること，ラット頭蓋骨欠損モデルにおいてPNU-282987が骨再生効果を持つことを見出した。今回，非神経性アセチルコリンが骨代謝に及ぼす影響について議論したい。

(1) Tracey et al. Nature (2003)

歯根膜は歯と歯槽骨の間のスペースであるが、系統発生的に歯根膜が認められるのは一部の爬虫類(ワニ)と哺乳類である。これは爬虫類までは、歯は同形歯性であり捕食器官として機能しているが、哺乳類になると異形歯性となり、捕食器官のみならず咀嚼器官として機能することによるものと考えられる。歯根膜に認められる神経終末は形態学的には自由神経終末と特殊終末があり、前者は痛覚受容、後者は触・圧覚受容に関与している。歯根膜の多くの神経終末は他の口腔内の神経終末と同様に三叉神経節由来であるが、一部の特殊終末は三叉神経中脳路核由来である。このことは歯根膜の神経終末が歯根膜感覚の受容以外に、歯根膜咬筋反射回路に関与し、顎運動の調整にも関わっていることを示している。本講演では、歯根膜感覚受容のうち特に機械刺激受容器に焦点をあて、その形態学的特性、生後発育、神経損傷後の再生に関して今まで得られた所見を紹介する。 【歯根膜機械受容器の形態】ヒトの歯根膜には種々の特殊終末が認められるが、ほとんどの動物で共通して認められる特殊終末はルフィニー神経終末である。歯根膜ルフィニー神経終末は軸索と特殊なシュワン細胞である終末シュワン細胞から構成される。皮膚に認められるルフィニー神経終末は被覆性終末であるが、歯根膜ルフィニー神経終末は非被覆性終末である。微細構造を観察すると神経終末をいくつかの終末シュワン細胞から伸びたシュワン鞘により囲まれ、その隙間から軸索終末が微突起(軸索突起)を伸ばしている。この突起が歯根膜線維の伸展を感知することにより伸展受容が行われる。咬合高径を低くして歯根膜に加わる咬合力を低下させると、軸索突起は減少し神経終末に認められるミトコンドリアが小さくなり、あたかも廃用性萎縮に似た変化を呈する。この変化は咬合力を再付加すると正常に戻ることより、歯根膜機械受容器の形態学的維持には適度な咬合力が必要であることを示している。 【歯根膜機械受容器の生後発育】ラット切歯歯根膜で歯根膜ルフィニー神経終末の生後発育を観察すると切歯が萌出する生後7日頃から軸索の数が増え、また軸索が激しく分枝する。切歯萌出直後から切端を切削して咬合力を低下させると、発育が遅れる。このことは歯根膜ルフィニー神経終末の発育にも適切な咬合力が必要なことを示している。 【歯根膜機械受容器の再生】下歯槽神経切断後のラット下顎切歯歯根膜でのルフィニー神経終末の再生を観察すると切断４週後にはほぼ正常な形態まで再生する。また、オトガイ神経とのつなぎ替えや、神経移植などを行っても術後４週には正常な形態に再生することも明らかになった。いずれの場合でも損傷部位ではシュワン細胞の再生が先行して観察された。 以上のことより、歯根膜機械受容器であるルフィニー神経終末の形態維持や発育に環境因子として適度な咬合力が重要であり、また歯根膜ルフィニー神経終末の再生にはシュワン細胞の動態が重要である事が示唆された。

ヒトを含む動物の多くは甘味を好み、苦味を嫌うといった生得的な味覚嗜好性にもとづいて食物を摂取する。このような味覚嗜好性は経験によって比較的容易に変化する。例えば、食物摂取後に体調不良を経験すると、その食物の味を忌避するようになる。これを味覚嫌悪学習という。我々はこの味覚嫌悪学習の神経機構の解明を目指している。特に、味覚嫌悪学習の記憶がどのようなメカニズムによって想起されるかを、ラットを用いて調べている。本セミナーでは以下の知見について紹介する。大脳基底核の一部である腹側淡蒼球にGABAA受容体の阻害薬であるビククリンを局所微量注入すると、味覚嫌悪学習の想起が阻害される（Inui et al., 2007）。また、味覚嫌悪学習を獲得させたラットに条件刺激を呈示して記憶を想起させると、腹側淡蒼球の細胞外GABA遊離レベルが上昇する（Inui et al., 2009）。腹側淡蒼球のGABA作動性ニューロンの主要な起始核は側坐核である。この側坐核から腹側淡蒼球への神経投射が味覚嫌悪学習の想起時に活性化することを、マンガン造影MRI法を用いて明らかにした（Inui et al., 2011）。これらの結果から、側坐核から腹側淡蒼球へのGABA性神経伝達が味覚嫌悪学習の想起に重要な役割を果たしていることが明らかになった。次に、この側坐核—腹側淡蒼球間神経連絡の活動を制御する情報がどこから入力するのかという疑問が生じた。先行研究から扁桃体基底外側核がその候補として挙げられたため、扁桃体基底外側核からの遠心性投射路の活性化を調べた。その結果、条件刺激呈示によって扁桃体基底外側核から側坐核、分界条床核、扁桃体中心核へ投射するニューロンが活性化することが分かった（Inui et al., 2013）。以上の知見から、味覚嫌悪学習の想起に関与する神経回路として、扁桃体基底外側核→側坐核→腹側淡蒼球という情報伝達経路が重要な役割を果たしていることが示された。これらのデータについて詳しく説明し、また最近の研究についても触れる予定である。

Neurons communicate with each other at the synapse. At the synapse, neural information is transmitted and processed. So, elucidation of projection and central connectivity of specific orofacial primary sensory afferents at the 1st relay nuclei of the brain stem may provide important information on how and where the specific orofacial sensory information is processed. Transient receptor potential melastatin 8 (TRPM8) ion channel mediates the detection of noxious and innocuous cold and are expressed by primary sensory neurons, but it is unknown where and how TRPM8-mediated orofacial cold information is processed in the 1st relay nuclei of the brainstem and the spinal dorsal horn (DH). To investigate these questions, we studied the distribution of TRPM8-positive (+) axons and terminals, as well as their central connections in the trigeminal sensory nuclei (TSN) and in the DH using light and electron microscopy in transgenic mice expressing a genetically encoded axonal tracer in TRPM8+ neurons. Our recent findings show that each TRPM8-mediated cold arising from oral and facial regions are processed in different TSN and it is processed in an unusual manner at the first relay nuclei of the brainstem.

味覚障害を訴える患者数は社会の高齢化の進行、様々な薬剤の服用等を背景に増加している。しかし、その詳細には不明な点が多く、診断・治療においても様々な問題が残されている現状である。 本セミナーでは、演者が長崎大学病院味覚外来の経験から痛感した以下の２つの問題点に対する自身の取り組みを中心に御紹介し、考察を加える。 第一に、今日の味覚検査法には臨床的には未だ不十分な点が残されていることである。味覚は食物のテクスチャーなどの物性の影響を受けるが、現状の味覚検査法では、味覚と咀嚼との関連は全く考慮されていない。この点に着目した咀嚼運動を組み合わせた味覚検査法の開発を試みたのでその成績をお示ししたい。 第二には、ヒト味覚障害の治療方法が十分には確立されていないことである。TRPチャネル(transient receptor potential channel)ファミリーの１つであるTRPM5は甘味・苦味・うま味に関与していることが明らかになっている。さらにTRPM5は温度により活性化されることが報告された。このような背景から温度刺激が味覚障害の治療に有効ではないかと考えて取り組んでおり、その成績を紹介したい。

The substrate of seizure initiation in models of temporal lobe epilepsy (TLE) is not well understood. We sought to identify structures that initiate seizures in a commonly used animal model. Depth electrodes (32/rat) were used to record field potentials during spontaneous seizures in chronically epileptic pilocarpine-treated rats. Simultaneous EEG recordings were obtained from structures that are suspected to contribute to seizure initiation in TLE based on previous EEG and neuropathological studies: septum, amygdala, piriform cortex, thalamus, substantia nigra pars reticulata (SNr), entorhinal cortex, subiculum, and dorsal and ventral hippocampus. Time of electrographic seizure onset for each structure was determined using 4 measurements: by eye, the appearance of a slow wave, and the peak of summed spectral power (20-200 Hz and 200-600 Hz). The earliest time among the 4 measurements was considered to be the onset time for the structure. A total of 813 electrographic seizures were recorded (average 74/rat; 11 rats). The average incidence of non-convulsive seizures was 34% (range 0-92%/rat). In 80 seizures (10/rat) of 8 rats analyzed so far, only 10 seizures in 4 rats failed to spread to all recorded target structures. Seizure activity always was detected in the ventral hippocampus, subiculum, and entorhinal cortex. For all seizures, the average rank (earliest to latest) of onset latency was: hippocampus, subiculum, entorhinal cortex, piriform cortex, amygdala, septum, SNr, dorsomedial thalamus, and other thalamic nuclei. No single recording site consistently had the shortest onset latency within or across rats. However, in 5/8 rats, the hippocampal formation consistently had the shortest average onset latency (0.5 s); seizure activity was recorded first in subiculum (28/80 seizures), ventral hippocampus (13/80), dorsal hippocampus (11/80), or entorhinal cortex (5/80). In 2/8 rats, amygdala and amygdalo-hippocampal transition area had the shortest average onset latency (1.3 s), followed by the hippocampal formation (2.3 s). In 1/8 rats, piriform cortex had the shortest average onset latency (1.4 s), followed by the hippocampal formation (2.3 s). SNr and thalamic nuclei consistently showed long average onset latencies, 4.0 s and 4.5 s, respectively. The average onset latency from the earliest to the latest recorded seizure onset was 5.8 s; range 0.4-26.1 s. Among the structures recorded in this study, electrographic seizures spread extensively and quickly during both convulsive and non-convulsive seizures. Our data suggest that the most important substrate for seizure initiation in this rat model of TLE may be the hippocampal formation.

A vast number of genes are now known to be involved in brain development, from the earliest stages of morphogenesis through to maturational processes. Several of these genes have been implicated in disorders of early brain development, such as autism and schizophrenia. Among these, the genes disrupted-in-schizophrenia-1 (DISC1) and neuregulin-1 (NRG1) regulate aspects of synaptogenesis and neuronal plasticity, and are associated with increased risk for schizophrenia; other genes related to schizophrenia, such as catechol-O-methyltranferase (COMT), regulate aspects of dopaminergic function that are thought to be abnormal in psychotic illness. The functional roles of these genes can be studies in mutant mice with gene deletion (‘knockout’). We have undertaken extensive phenotypic studies using functional models related to the deficits of schizophrenia, such as social behaviour and cognition. However, abnormalities in pain perception, especially altered heat pain sensitivity, have also been reported in patients with psychosis. Therefore, genes associated with schizophrenia, including DISC1 and NRG1, may play a role in modulating the physiological and psychological effects of pain stimuli in such patients. To clarify some of these issues, we have assessed thermal pain sensitivity in DISC1, NRG1 and COMT mutant mice (1). At baseline, deletion of NRG1 and DISC1 each reduced thermal pain sensitivity, while deletion of COMT increased pain sensitivity. These results indicate a differential contribution of NRG1 and DISC1 vis-à-vis COMT to the processing of thermal nociceptive stimuli and extend their phenotypic relationship to psychotic illness. The authors’s studies are supported by Science Foundation Ireland.

The lecture consists of three parts.

1. Brain and personality. In the first part I will present data that show that our brain directs our personality. Thereby, attention will be given to characteristic features of the brain of (a) fast and slow learners, (b) sensation seekers and non-sensation seekers, (c) pathological liars, and (d) pathological and violent murderers. In this context I will discuss the error of Descartes as Antonio Damasio has called it, namely the idea that “cogito ergo sum” is not anymore valid. In addition, the role of mirror neurons and that of the amygdala will be illustrated by data on autism and the Williams-syndrome: these substrates in our brain among others determine whether or not you understand your environment. Finally, I will present data that illustrate to what extent nature via nurture moulds our brain and, accordingly, our personality.
2. Brain and mouldability. In this part I will zoom in on the plasticity of our brain at the neuronal level. Thereby, attention will be given to the effects of stress, brain damage, and training of motor skills, spatial navigation, reading, memory and making music on our brain. Concepts and prospects will be discussed in view of statements made in the media: sense and non-sense are important ingredients.
3. Brain and consciousness. In the final part I will present data that show that consciousness plays no or, at best, a minor role in our behaviour. Following a short analysis of the term “consciousness”, I will illustrate that it is our brain that determines our experiences, conscious or not. Next, I will discuss the problem of the localization of our consciousness. Subsequently, I will focus on the recently collected data of (a) the Dutch scientist Dijksterhuis who has shown that difficult problems can be solved better unconsciously than consciously, (b) Haynes who has shown that one needs about eight seconds before one is aware of one’s decision to do something (cf. the original data of Libet in this respect), and (c) Owen who found that an unconscious patient shows brain activities like conscious subjects who have to imagine particular spatial motor tasks. The overall impact of the available, scientific data is that it is our brain that directs our behaviour and that consciousness is not crucial for it.
The available data strongly indicate that free will is at best a perception and, at worst, an illusion. The putative consequences for concepts like responsibility and morality will be discussed.

The Promotion of Multi-disciplinary Research Projects “Translational Research Network on Orofacial Neurological Disorders (TRON projects)” & Japan-Canada Joint Health Research Program - U.Toronto/Nihon U. Grant “A Collaborative Approach to Clarify Mechanisms of Oro-maxillofacial Pain and Motor Disorders”

Among genetically determined neuropsychiatric disorders, recombinant DNA and successor techniques now allow: (i) study of the functional roles of genes that cause such disorders, and (ii) identification of the functional roles of biological components that cannot be investigated pharmacologically. Specifically, such technology allows for the construction and phenotypic assessment of mutant mice having insertion of causative genes or other genes of interest [‘knockin’/transgenics] or deletion [‘knockout’] of genes that encode specific biological components. Additionally, conditional mutants now give the investigator control over the spatial and/or temporal expression of the genetic manipulation. As part of a large international collaboration, involving scientists in Australia, Germany, Ireland and Japan, we have studied the phenotype of conditional mutants with progressive, postnatal ablation of (i) generalised [CamKIIa D1Tox] D1 dopamine receptor-expressing cells, or (ii) striatal-specific [DARPP-32/Cre D1Tox] D1 dopamine receptor-expressing cells; progressive loss of striatal D1 receptors is one of the pathological features of Huntington’s disease. Phenotypic assessments include orofacial movements and involve evaluating changes in several behaviours over the lifespan. There appear to be behaviourally specific interactions between normal maturational processes and compensatory mechanisms acting subsequent to targeted ablation of D1 dopamine receptor expressing cells. Understanding the mechanistic bases of amelioration vs persistence of individual phenotypes in relation to neural adaptation consequent to cell loss may lead to novel therapeutic strategies for basal ganglia disorders. The authors’s studies are supported by Science Foundation Ireland.

The Promotion of Multi-disciplinary Research Projects “Translational Research Network on Orofacial Neurological Disorders (TRON projects)” & Japan-Canada Joint Health Research Program - U.Toronto/Nihon U. Grant “A Collaborative Approach to Clarify Mechanisms of Orofacial Pain and Motor Disorders”

The goal of the present lecture is to illustrate how one can study the (dys)function of a specific brain region. First, I will shortly discuss the different types of animal models used in behavioral pharmacology. In general, we can discern 1) animal models with predictive validity, i.e. animal models allowing the prediction of the putative effectiveness of a drug in the clinic, 2) animal models with face validity, i.e. animal models showing behavioral symptoms that are comparable to those seen in the clinic, 3) animal models with disease validity, i.e. animal models in which the pathology of a particular disease is mimicked, 4) animal models with mapping validity, i.e. animal models allowing the mapping of functionally related brain circuits, and 5) animal models with construct validity, i.e. animal models allowing the study of region-specific functions. Second, I will illustrate how various tools can be used to study the region-specific behavioral function of a particular dopaminergic brain area. These tools are:

1. specific lesion (6OH-dopamine, MPTP, e.g.)
2. drug-induced increase of dopaminergic activity (benzazepine agonist)
3. drug-induced suppression of dopaminergic activity (GABA-agonists)
4. selective chemical manipulation (agonists/antagonists)
5. in vivo microdialysis
6. unit firing
7. in vivo voltammetry. Attention will be focussed on the dopaminergic prefrontal region, the dopaminergic shell of the nucleus accumbens, the dopaminergic core of the nucleus accumbens and the dopaminergic neostriatum. The involvement of these structures in operant conditioning including self-administration, place preference conditioning, effort-related decision-making, spatial working memory, set-shifting, unconditioned novelty, knowledge-based novelty, impulsive decision-making and reward processes will be discussed.

Catechol-O-methyltransferase is an important enzyme in the metabolism of dopamine and an important regulator of aspects of dopamine-dependent working memory in prefrontal cortex that are disturbed in schizophrenia. We have investigated the phenotype of mice with heterozygous deletion vs homozygous knockout of the catechol-O-methyltransferase gene across paradigms that access processes relevant for psychotic illness. Homozygotes evidenced improved performance in spontaneous alternation and the Barnes maze, indices of immediate spatial working memory and spatial learning/memory, respectively; this effect was apparent in males. Heterozygotes evidenced impaired performance in object recognition, an index of recognition memory; this effect was apparent for both sexes at a retention interval of 5 min and was retained in males at an interval of 1 h. There were no material effects for either genotype in relation to sociability or social novelty preference. While homozygous catechol-O-methyltransferase deletion results in improvement in spatial learning/working memory with little effect on social behaviour, heterozygous deletion results in impairment of recognition memory. We have reported recently, using similar methods, that mice with deletion of the schizophrenia risk gene neuregulin-1 evidence disruption to social behaviour, with little effect on spatial learning/working memory. The data suggest that catechol-O-methyltransferase and neuregulin-1 may influence, respectively, primarily cognitive and social endophenotypes of the overall schizophrenia syndrome.

Neuroscience is a rapidly growing discipline, due at least partly to the recent development of new techniques like brain imaging. There areseveral reasons why our attention needs to be focused on Neuroscience. First, one out of each three subjects will earlier or later beconfronted with a brain disease. Today, brain diseases cannot be cured, but at best symptomatically treated. So, search after better treatments is urgently needed. Increasing knowledge about Brain and Behaviour has also far-reaching consequences for our society in general and for our thinking about Education, Social Behaviour and Technical manipulations in particular. Because human studies can only be correlative in nature, animal studies are necessary to study the etiology, causation and possible treatments of brain diseases. This lecture will discuss some methods that are used in Behavioural Pharmacology as applied in Neuroscience. In practice, this discipline encompasses two kind of studies: 1) studies analysing drug-induced effects in order to (a) analyse the functional role of brain agents such as neurotransmitters, neuromodulators and neurohormones, (b) to map brain circuits, (c) analyse cross-talks between brain agents, and (d) to study target sites of drugs; and 2) studies on animal models with predictive, face, disease, mapping and/or construct validity. A major problem in studies on drug-induced effects is the origin of concepts. In fact, most concepts originate in Biology, Psychology or Psychiatry, but only very few, if any, are derived from a model of brain functioning. In general, drug-induced effects are analysed in terms of drug-induced changes in (1) spontaneous behaviour, (2) stimulus-elicited behaviour such as in open-field test, (3) stimulus-directed behaviour such as in the Morris water maze test, (4) unconditioned behaviour such as in the shock-prod test, and (5) conditioned behaviour such as in pavlovian and operant conditioning tests. This lecture focuses on the principles assessed in the various tests that are used in Behavioural Pharmacology.

Patients suffering from psychiatric diseases have lost self-control about their thoughts, feelings and behaviour. This will be illustrated by discussing the symptoms of patients with schizophrenia. Neurological patients have also lost self-control about their behaviour, especially motion and, to a lesser degree, cognition and emotion. This will be illustrated by discussing the symptoms of patients with Parkinson’s disease. Furthermore, quite a lot of centrally acting drugs reduce or, even, remove self-control of behaviour. This will be illustrated by discussing the behavioural effects of neuroleptics. The goal of my lecture is to discuss the dominant role of telencephalic dopamine in this loss of self-control. The focus of the lecture will be on:

1. Schizophrenia, because this disease is accompanied by an excess of telencephalic dopamine;
2. Parkinson’s disease, because this disease is accompanied by a lack of telencephalic dopamine;
3. Neuroleptics, because these agents primarily inhibit telencephalic dopamine receptors, reducing thereby telencephalic dopamine activity; and
4. Drugs of abuse, because drug addicts crave for dopamine. It will be concluded on the basis of neuroscientific evidence that “too much” as well as “too little” telencephalic dopamine reduces or, even, removes self-control of behaviour. To what extent a well-balanced amount of telencephalic dopamine allows self-control of behaviour remains a challenging question for neuroscientists and neurophilosophers.

John L. Waddington
Professor of Neuroscience, Molecular & Cellular Therapeutics,
Royal College of Surgeons in Ireland, Dublin 2, Ireland.

Several neuropsychiatric disorders are genetically determined and have phenotypes that include orofacial dysfunction, for example Huntington’s disease. Recombinant DNA techniques now allow: (i) identification of the functional roles of biological components that cannot be investigated pharmacologically; and (ii) study of the functional roles of genes associated with disorders. More specifically, such technology readily allows for the construction and phenotypic assessment of mutant mice having deletion [‘knockout’] of genes that encode specific biological components, or are associated with increased risk for disease; alternatively, genes of interest can be inserted [‘knockin’/transgenics]. We have studied mice transgenic for the huntingtin gene that causes Huntington’s disease, to investigate effects on motor function. Additionally, we have participated in an international collaboration using a Cre/Lox transgenic approach to generate a novel striatal model of Huntington’s disease in which a specific population of striatal cells is progressively ablated in the post-natal brain. This reproduces a characteristic pathophysiological feature of Huntington’s disease with a phenotype that includes orofacial movement dysfunction. The application of such models and the challenges they present will be described.