MITの神経科学者らは、人間のニューロンには他の哺乳類のニューロンと比べてイオンチャネルがはるかに少ないことを明らかにした。
哺乳類ではニューロンのサイズが大きくなるにつれてチャネル密度も高くなるが、人間は例外であることが分かった。
研究者らは、人間はチャネル密度を低くすることで、エネルギー効率を高めてきたと考えている。
ニューロンは、カリウムやナトリウムなどのイオンの流れを制御するイオンチャネルが生み出す電気インパルスを介して、互いに情報を伝達する。驚くべき新たな発見として、MITの神経科学者らは、人間のニューロンには他の哺乳類のニューロンと比べて、予想よりはるかに少ない数のイオンチャネルしかないことを明らかにした。
研究者らは、チャネル密度の低下によって人間の脳がより効率的に働くよう進化し、複雑な認知課題を行うために必要な、エネルギーを多く消費する他のプロセスに資源を振り向けられるようになった可能性があると仮説を立てている。
「イオンチャネルの密度を下げて脳がエネルギーを節約できれば、そのエネルギーを他のニューロンや神経回路のプロセスに使えます」と、脳・認知科学准教授で、MITマクガバン脳研究所のメンバーでもあり、本研究の上席著者であるマーク・ハーネットは述べる。
ハーネットと同僚らは、10種類の哺乳類のニューロンを分析し、この種では最も大規模な電気生理学的研究を行った。そして、人間を除く、調査したすべての種に当てはまる「基本設計」を特定した。ニューロンのサイズが大きくなるにつれて、ニューロン内のチャネル密度も高くなることが分かった。
しかし、人間のニューロンはこの規則の顕著な例外であることが判明した。
「これまでの比較研究では、人間の脳は他の哺乳類の脳と同じように作られているとされていたため、人間のニューロンが特異であることを示す強い証拠が見つかり、驚きました」と、MITの元大学院生ルー・ボリュー＝ラロシュは述べる。
ボリュー＝ラロシュは本研究の筆頭著者で、研究成果は本日、Nature誌に掲載される。
基本設計
哺乳類の脳にあるニューロンは、何千もの他の細胞から電気信号を受け取ることができ、その入力によって、活動電位と呼ばれる電気インパルスを発するかどうかが決まる。2018年、ハーネットとボリュー＝ラロシュは、発見した人間とラットのニューロンでは電気的特性の一部が異なり、主に樹状突起と呼ばれるニューロンの部分に違いがあることを明らかにした。樹状突起は木の枝のようなアンテナで、他の細胞からの入力を受け取り、処理する。
その研究で分かったことの一つは、人間のニューロンではラットの脳のニューロンよりイオンチャネル密度が低いということだった。イオンチャネル密度は種を超えて一定だと一般に考えられていたため、研究者らはこの観察結果に驚いた。新たな研究では、ハーネットとボリュー＝ラロシュは、イオンチャネルの発現を左右するパターンがあるかどうかを確かめるため、複数の哺乳類種のニューロンを比較することにした。脳の皮質にある興奮性ニューロンの一種、5層錐体ニューロンを対象に、電位依存性カリウムチャネル2種類と、カリウムとナトリウムの両方を通すHCNチャネルを調べた。
研究者らは、哺乳類10種から脳組織を入手できた。対象は、既知の哺乳類の中でも最小クラスのトガリネズミ、スナネズミ、マウス、ラット、モルモット、フェレット、ウサギ、マーモセット、マカクに加え、てんかん患者の脳手術で切除された人間の組織だった。この多様な試料によって、哺乳類全体にわたる皮質の厚さやニューロンのサイズの幅を網羅できた。
研究者らが調べた哺乳類種のほぼすべてで、ニューロンのサイズが大きくなるにつれてイオンチャネル密度も高くなることが分かった。このパターンの唯一の例外は人間のニューロンで、イオンチャネル密度は予想よりはるかに低かった。
種を超えてチャネル密度が増加することは意外だったとハーネットは言う。チャネルが多いほど、イオンを細胞内外へ送り出すために必要なエネルギーも増えるからだ。しかし、研究者らが皮質全体の体積に含まれるチャネル数を考え始めると、納得できるようになったという。
非常に小さなニューロンが密集するトガリネズミの小さな脳では、はるかに大きなニューロンを持つウサギの脳と同じ体積の組織を比べると、一定体積あたりのニューロン数が多い。しかし、ウサギのニューロンはイオンチャネル密度が高いため、一定体積の組織あたりのチャネル密度は、両種で同じになる。これは、研究者らが分析した人間以外の種すべてにも当てはまる。
「この基本設計は、9種の哺乳類に共通しています」とハーネットは言う。「皮質が実現しようとしているのは、すべての種で単位体積あたりのイオンチャネル数を同じに保つことのようです。つまり、一定体積の皮質にかかるエネルギーコストは、少なくともイオンチャネルについては同じです。」
エネルギー効率
しかし、人間の脳はこの基本設計から顕著に逸脱している。イオンチャネル密度が増加する代わりに、研究者らは一定体積の脳組織で予想されるイオンチャネル密度が大幅に低下していることを見いだした。
研究者らは、この密度の低さは、イオンを送り出すエネルギーを減らすために進化した可能性があり、その結果、脳はそのエネルギーをニューロン間のより複雑なシナプス結合の形成や、活動電位をより高い頻度で発生させることなどに使えるようになったと考えている。
「人間は、かつて皮質のサイズを制限していたこの基本設計から進化し、エネルギー効率を高める方法を見つけたのだと考えています。そのため、他の種に比べて体積あたりのATP消費量が少なくて済みます」とハーネットは述べる。
ハーネットは今後、この余分なエネルギーがどこに使われているのか、また人間の皮質のニューロンがこの高い効率を実現するのに役立つ特定の遺伝子変異があるのかを研究したいと考えている。研究者らは、人間に近縁な霊長類種でもイオンチャネル密度が同様に低下しているかどうかを調べることにも関心を寄せている。
本研究は、カナダ自然科学・工学研究評議会、マクガバン研究所フレンズ・フェローシップ、米国国立総合医科学研究所、ポール＆デイジー・ソロス・フェロー・プログラム、ダナ財団デイヴィッド・マホニー神経画像研究助成プログラム、米国国立衛生研究所、基礎神経科学に関するハーバード・MIT共同研究助成プログラム、およびスーザン・ハールの助成を受けた。
論文の他の著者には、MITテクニカル・アソシエイトのノーマ・ブラウン、元ポストバカロレア研究員のマリッサ・ハンセン、MITおよびハーバード大学医学大学院の大学院生エンリケ・トロザ、MIT研究者のジテンドラ・シャルマ、ハーバード大学医学大学院脳神経外科准教授のジヴ・ウィリアムズ、同大学医学大学院病理学・健康科学・技術准教授のマシュー・フロッシュ、ブリガム・アンド・ウィメンズ病院てんかん・機能的脳神経外科部門長のガース・リース・コスグローブ、ハーバード大学医学大学院およびマサチューセッツ総合病院神経内科助教のシドニー・キャッシュが含まれる。
