神経科学の大きな目標の一つは、侵襲を伴わずに脳細胞のスイッチをオン・オフできるようにすることだ。アルツハイマー病からPTSDまで、実に多くの疾患を抱える患者の助けとなる可能性がある。
これがオプトジェネティクスという分野を推進する主な要因の一つであり、これは生きた動物の脳細胞の活動を光で制御する生物学的手法である。
最近、オプトジェネティクスが報道で取り上げられたのは、イェール大学の研究で、研究者らがマウスの「攻撃本能」を作動させ、食べ物に飛びつくときのように無生物を攻撃させることに成功したと示されたためだ。
神経科学者で博士課程の学生でもあるディーラジ・ロイは、遊び場にたとえて仕組みを説明してくれた。細胞を遊び場とすれば、タンパク質は遊び場の門にあたり、何が入って何が出ていくかを制御する。そして、この門番のようなタンパク質は、化学物質や光など、さまざまなものによって刺激される。
光に反応する遺伝子の探索
オプトジェネティクスの分野の起源は1990年代初頭にさかのぼる。当時、ドイツの生物学者ピーター・ヘーゲマンは藻類のクラミドモナス ・レインハルディを研究しており、この藻類は光を浴びると「尾」を振り、前進することを見いだした。つまり、光によってタンパク質のゲートが開き、藻類が特定の機能を果たせるようになったのだ。
1990年代後半までに、科学者たちはこの仕組みに重要な用途がある可能性に気づき始め、光に反応する遺伝子を探すための10年間にわたる研究が始まった。
数年にわたる多くの研究を経て、2005年に画期的な論文が発表され、研究者らがChR2と呼ばれる特定の単細胞藻類から、青色の波長の光にのみ反応するタンパク質を発見したことが示された。私たちが目にする白色光は、青色を含むさまざまな波長の光で構成されている。
このタンパク質を取り除くと、藻類は日光の下でも動かなくなった。しかし、同じタンパク質をペトリ皿のマウス脳細胞に挿入すると、チャネルが開き、青色光のパルスに反応して神経伝達物質の伝達が始まった。
こうして研究者たちは、この特別なタンパク質があれば光で動物細胞の極性を変えられると知り、ChR2を導入する研究が始まった。その対象は、盲目のマウスの網膜、海馬ニューロン、生きたニワトリ胚の脊椎、マウスの脳切片、寄生虫などだった。
この画期的な発見以前、神経科学の分野にはニューロンを制御する有効な方法がなかったと、ロイは語った。少なくとも、妥当な時間スケールで制御する方法はなかった。
「多くの場合、何らかの化学物質や薬を使います。しかし、研究対象の脳の一部に注入しても、作用が現れるまで何時間もかかるか、長く続きすぎて明確な結論を出せなくなってしまうのが普通でした」と彼は語った。
それから10年以上が経ち、科学はさらに進歩した。研究者たちは今や細胞よりも微細なもの、たとえばDNA分子まで制御している。「いつか患者に使えるようになると、人々は夢見ています」とロイは語った。
オプトジェネティクスと記憶
現在、オプトジェネティクス研究の大半は、マウスなどの動物を対象に行われている。通常、動物が箱に入ったときに足へ電気ショックを与えてその箱を怖がるように学習させると、少なくとも1年間はその記憶を保ち、どんなことがあっても箱に入らなくなる。一方、健忘症のマウスは、恐ろしい箱の中で起きたことをすぐに忘れ、わずか1か月後には、何も悪いことが起きなかったかのように行動し始める。
「こうしたトラウマ記憶は覚えておくことが大切です……私たちの大半がうまくやっていけるのはそのためです」とロイは語った。「そこで私は、ここで何が起きているのかと考えました。記憶を失うという考え方の多くは、実際に記憶の情報そのものを失っているというものだからです。」
しかしロイによれば、この理論は常に「もっともらしい推測」にすぎず、彼の研究は、記憶を実際に取り戻せるのかどうかを確かめようとした。
感情と記憶をつかさどる脳の部位であるマウスの海馬では、この種の記憶に約100個のニューロンが関わっている。そこでロイのチームは、青色光のパルスを使ってこれらの細胞を人工的に作動させようとした。
「私たちとこの分野にとって驚きだったのは、オプトジェネティクスを使ってこれらの細胞を人工的に作動させると、動物に恐怖を示させることができたことです」とロイは語った。「つまり、昨日までは健忘症だった動物が、再びその場に戻して光を当てると恐怖を示すのです。対照群のマウスとまったく同じように見えます。」
言い換えれば、この研究は、記憶を忘れたからといって永遠に失われたとは限らず、取り戻せる可能性さえあることを初めて示唆した。記憶がまだ残っているとはそれまでほとんど考えられていなかったため、この発見はある意味で分野の常識を覆した。今では多くの研究グループが、この知見を発展させようとしている。
たとえば、統合失調症のように、患者が物事を思い出すのに苦労することがある脳疾患を研究しているグループもある。自閉症の人は、反対の問題を抱えることが多い。物事をよく覚えているため、トラウマ体験や日々起こる些細なことを忘れにくいのだ。
ただし、これらの実験はすべて動物モデルで行われていることを忘れてはならない。このような形でオプトジェネティクスを人間に用いた実験は行われていない。人間を対象としたオプトジェネティクスの試験は、眼に対するものに限られており、脳に直接行うものではない。
「動物から人間へ応用を移すなら、少なくとも別の方法にしなければならない」
「現在のオプトジェネティクスはかなり侵襲的です。動物から人間へ応用を移すなら、少なくとも別の方法にしなければなりません」とロイは語った。「すべての患者の頭蓋骨に穴を開け始めるわけにはいきません。もっと現実的な方法を考え出す必要があります。」
また、規制当局がオプトジェネティクスを承認するには、こうした治療に対する人間の免疫反応について、さらに多くの証拠が必要だ。ブライアン・ロス博士が率いるノースカロライナ大学チャペルヒル校のロス研究室の研究グループが、この課題に取り組んでいる。ロイが、オプトジェネティクス研究をより低侵襲な方法へ応用する有望な手段となり得ると考える技術を生み出した。
「彼（ロス）がDREADDSというツールを開発しました」とロイは説明した。「私がこのツールを気に入っているのは、オプトジェネティクスがニューロン同士のやり取りの時間スケールで機能する一方で、DREADDSでも同じようなことができるからです。」
その発想は、研究者がニューロンを制御し、オプトジェネティクスと同じようにオン・オフできるというものだ。ただし、脳に侵襲的なレーザー光を当てる代わりに、薬を使う。
その薬は「特有の生体受容体を持つニューロンを探し出し……それをオンまたはオフにします」とロイは語った。
「オプトジェネティクスほど精密ではありませんが、その働きに非常に近いことができ、侵襲性を数分の一に抑えられる点に力があると考えています」とロイは語った。
