神経細胞は細胞ごとにきわめて多様な形態を持っています。「かたち」と「機能」の関係に興味を持ち、個々の神経細胞とそれらが作り出す神経回路の研究を主に大脳皮質を対象に行ってきました。大脳皮質は多くの脳領域の制御に関わっています。
そのなかでも大脳基底と視床への投射は、さまざまなレベルの行動の制御や感覚の受容に重要な働きを持っています。
大脳皮質の抑制性介在ニューロンの研究
大脳皮質の約8割は興奮性の投射細胞である錐体細胞です。残りの二割の細胞は局所に軸索を持つ抑制性の介在細胞（非錐体細胞）です。非錐体細胞は、形態的にも電気生理学的にも非常に多様です。
非錐体細胞の電気生理学的性質をホールセル電極で記録したのち、細胞内に標識物質を注入し、細胞を染色し、同時に免疫組織化学法でその神経細胞が発現している物質を同定しました。さらに、標識した非錐体細胞の形を三次元的に再構築し、定量的に解析を行いました（動画）。
その結果、物質の発現が似ている細胞は、形態的にも電気生理学的な性質も似ていることが分かりました。また、このような非錐体細胞のサブグループは、シナプスを作るときに同じような特徴を持つ相手を選ぶことも分かってきました。また、神経細胞の樹状突起にシナプス入力がどのように分布するかについても電子顕微鏡による観察と三次元的な再構築をもとに同定しました。
大脳皮質錐体細胞の研究
興奮性の錐体細胞のうち、感覚野の4層と6層は大脳皮質で最初に感覚入力を受けると考えられています。視覚野の神経細胞は、線分の傾きや動きの方向について好みを持つものが多く、ネコやサル、ヒトでは同じような好みを持つ神経細胞が空間的に固まって存在することが分かっています。
では、これらの錐体細胞はどのように情報を伝えているのでしょうか？
視覚野の小領域がどのような視覚刺激を好むか、Optical imagingという方法で記録した後、特定の視覚刺激を好む小領域にある錐体細胞の軸索投射がどのようになっているかを調べました（動画）。
その結果、他の層とは異なり、4層と6層の細胞は好みの異なる領域にも情報を送っていることが分かりました。
大脳皮質と大脳基底核の研究
大脳基底核の神経回路は1990年前後に大きなスキームとしては解明されたとされていました。しかし、2000年代以降、実験手法の進歩などにより、次々と重要な知見が明らかになってきています。
その一つの鍵は、上述したように、神経細胞は一様ではなく、さまざまなサブタイプに分けられるということです。サブタイプごとに遺伝子や物質の発現、樹状突起の形態、軸索投射の標的、電気生理学的な性質が異なり、異なる神経回路に参加し、異なる機能を果たすことが分かってきました。現在は、大脳基底核のハブである淡蒼球外節に注目して、その細胞構成や神経細胞の電気生理学的な性質、投射の性質、受け取る入力の違いについて、研究を進めています。
これまでのところ、淡蒼球外節の神経細胞の中には、大脳皮質からの入力を強く受けるタイプの細胞があることやそれらの細胞が線条体に投射していること、黒質緻密部の特定の部位にあるドーパミン細胞を抑制するタイプがあることなどを見出しています。また、線条体や淡蒼球外節の神経細胞にどのようなシナプス入力があり、どのように分布しているかについても、研究を行っています。
これらの研究でも、形態学的な手法と電気生理学的な手法を並行して行い、近年ではウイルスベクターを用いた神経細胞標識と光遺伝学によりシナプス結合を同定する手法を多く用いています。動画に例を示しました。
この実験では、大脳皮質軸索終末を青色光で刺激（緑色のトレースで上向きに波形が変化しているところ）した時に、二つの淡蒼球外節細胞が示した電気的応答を記録しています。黒のトレースで示された細胞は光刺激に応じて内向き（ここでは下向き）のシナプス電流が起きていますが、赤のトレースの細胞では応答が見られません。