出生後まもなく、人間の脳はまったく新しい世界での経験とともに急速に発達する。この時期、新生児の脳内のニューロンは、シナプスと呼ばれる持続的なつながりを形成しようと互いに競い合う。
デューク大学の研究者による新たな研究は、シナプスが洗練されていく過程を詳しく捉え、この過程で重要な役割を果たすタンパク質を特定した。ヘビンと呼ばれるこのタンパク質の機能不全は、これまで自閉症、うつ病、自殺との関連が指摘されてきたが、発達中の脳におけるこの分子の役割は、今回までほとんど知られていなかった。
研究者たちは、シナプス結合を抱える、スパインと呼ばれるニューロンの微小な突起に注目した。神経科学では長い間、こうした小さな突起は単一のシナプスの部位になると考えられてきた。
しかし、先月初めにオンラインで公開されたこの研究は、 オープンアクセス誌『eLife』に掲載され、新生マウスの脳では、スパインの一部が当初、2つ以上の入力を受けることを示している。脳が成熟するにつれて、スパインが受ける入力は1つになる。三次元電子顕微鏡法として知られる手法によって、この観察が可能になった。
「この発見にとても興奮しました」と、筆頭著者で、責任著者Çagla Erogluの研究室に所属する博士研究員、William Christopher Risherは語った。「これまでに誰かが［複数のシナプスを持つスパイン］を本当に記述しているか、文献を調べてみました。実際、ほとんどありませんでした。」
研究グループはまた、ヘビンをコードする遺伝子を欠くマウスでは、正常なマウスと比べて、こうした複数のシナプスがより多く残ることも発見した。発達中の脳が効率を高めるためにシナプスを刈り込むなかで、これは問題を引き起こす可能性がある。
ヘビンは1990年、シナプス間のごく小さな空間で初めて特定された。しかし、遺伝子発現の研究により、実際にはアストロサイトと呼ばれる非神経細胞がヘビンを大量に産生していることが示された。
アストロサイト、シナプス形成、疾患の関係に関心を持ったErogluの研究グループは2011年、ヘビンが新たな神経結合の形成を促すことを示した。「これは、神経系におけるヘビンの機能を初めて記述した研究でした」と、細胞生物学・神経生物学の助教で、デューク脳科学研究所のメンバーでもあるErogluは述べた。
「シナプスが形成される時期にも、成体期にも、多くの脳領域でこのタンパク質が豊富に存在するため、私たちは研究を続けました」とErogluは語った。
研究グループによると、複雑な思考や意識に重要な脳領域である大脳皮質では、ヘビンは視床からの入力を促す一方、皮質内の局所ニューロンからの入力を抑える。視床は、感覚情報と運動情報の中継拠点として働く脳の一部である。
複数のシナプスを受けるスパインは、皮質と視床の両方からの結合に同時に占められる傾向があり、こうしたスパインがシナプス競合の場であることを示唆している。
大脳皮質におけるこの2種類の結合のバランスは、自閉症やうつ病などの神経疾患で崩れる可能性があるとErogluは述べた。研究グループは現在、ヘビンの分子メカニズムと、健康や疾患への寄与の可能性を研究している。
その他の著者は、デューク大学細胞生物学部のSagar Patel、Jonnathan Singh Alvarado、Osman Calhan、Il Hwan Kim、Akiyoshi Uezu、Scott Soderling、デューク大学神経学部のSrishti Bhagat、Nicole Calakos、デューク大学分子遺伝学・微生物学部のLouis-Jan Pilaz、Debra Silver、ならびにボストン小児病院神経学部およびハーバード大学医学大学院のDaniel Wilton、Beth Stevensである。
この研究は、米国国立衛生研究所（R01 DA031833, 2T32NS51156-6, NRSA 1F32NS08328 01A1, NS059957, MH103374, NS083897, NS071008）、Holland-Trice Fellowship、Wakeman Fellowship、
Esther and Joseph Klingenstein Fund、Alfred P. Sloan Foundationの助成を受けた。
この記事は、 Duke Today との協力により掲載されている。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味しない。
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著者：Karl BatesはDuke Todayに記事を執筆している。
画像：2011年1月7日、マサチューセッツ州ケンブリッジで、患者「H.M.」の脳切片の展示の前を歩く女性。REUTERS/Brian Snyder。