外部刺激と個人の記憶との関係に関する新たな研究は、神経疾患の治療法を理解するうえで極めて重要となる可能性があります。
神経生物学者のジェリー・チェン氏はマウスの脳を研究し、触覚と記憶の直接的なつながりを発見しました。
この発見は、脳卒中などの神経疾患の治療に役立つ可能性があり、自閉スペクトラム症の理解の促進にも寄与する可能性があります。
新たな研究は、脳が外部からの情報と内部の記憶をどのように組み合わせて触覚を形成しているかを明らかにしています。
この研究は、科学者が脳卒中や自閉スペクトラム症をより適切に治療する方法を理解する一助となる可能性があります。
砂浜に足を踏み入れるときも、犬の背中をなでるときも、何かに触れると、その感覚は瞬時に脳へと伝わります。足の裏で感じる砂のざらつきや、手に伝わる毛のふわふわとした感触がそれにあたります。
しかし、私たちはその感覚に自分自身の一部も加えています。砂浜や子犬からの外部刺激とともに、過去の記憶も関わっています。夏休みに足の指から砂を拭き取った記憶や、今は会えなくなった家族のペットを抱きしめた記憶などです。ある物がざらざらしている、あるいは柔らかいと感じることについては誰もが同意するものの、その感覚の解釈はわずかに異なります。
「私たちが環境を知覚するとき、実は二つのことを同時に行っています」と、ボストン大学の神経生物学者、ジェリー・チェン氏は語ります。認知機能の専門家である同氏は、次のように続けます。「私たちは、世界のあらゆる感覚や物理的要素をすべて取り入れていると同時に、自分自身の推論や、知覚しているものについての主観的な解釈も適用しているのです。」
新たな研究がScienceに掲載され、チェン氏はそのプロセスを明らかにしました。マウスの脳を観察したところ、チェン氏らの研究チームは、一次体性感覚野の中に、触覚情報の計算に特化した回路を発見しました。一次体性感覚野とは、触覚、温度、痛みに関する信号を受け取る脳の部位です。同氏によれば、この回路は、体の外部からの刺激と既存の知識とのバランスをとる方法を脳が理解する助けとなっています。
本研究は、脳卒中から自閉スペクトラム症に至るまで、感覚知覚に影響を及ぼす可能性のある、さまざまな神経疾患や神経精神疾患への理解において重要な意味を持つ可能性があります。生物学の助教授であるチェン氏は、脳の回路に関する知見が深まれば、より標的を絞った治療法や介入法の開発につながる可能性があると述べています。
脳の仕組みの探究の一環として、研究者らは細胞を調査・観察するための新たな手法を開発しました。これは、脳内の活動を生じさせ、発火している細胞の分子組成を示し、すべてのデータの計算を支援するプラットフォームです。この手法により、チェン氏は、動物が物体に触れた際に、大脳皮質の異なるニューロンがどのように反応し、互いに情報を伝達しているかを調べることができました。さらに、環境に変化が生じた際に、それらのニューロンがどのように適応するかも明らかにしました。
チェン氏らの研究チームは、本プロジェクトの出発点として、アレン研究所によるマウス脳のアトラス（脳細胞の種類を網羅した目録）を活用しました。チェン氏によれば、このアトラスはニューロンの位置や分類を特定するうえで非常に有用ですが、ニューロンの機能について研究者に詳しく示すものではありません。同氏の研究成果は、その詳細と鮮明さをもたらすものです。
「これは、あらゆるものがどのように結びついているかについての、別の次元の理解です」とチェン氏は語ります。「最も重要な点は、目録と機能的な定義を結びつけたことです。これは、脳を理解するための多くの道を大きく切り開くことになるでしょう。」
ここでは、チェン氏が研究成果と、脳に関する知識の向上およびケアの改善に向けた可能性について説明します。
研究結果から何が明らかになりましたか？
私たちが周囲の世界を知覚するとき、脳は周囲の情景を構成する刺激を処理すると同時に、過去に学んだことに基づいて情報を補完し、感じ取ったものを解釈しようとします。
例えば、車の鍵を探してバッグの中を手探りしている場面を想像してください。脳は鍵の感触を学習しているため、さまざまな質感や形状の物に触れながら探す際に、その情報を補完して探索を導きます。しかし、鋭い角のようなものに触れた場合など、それが際立って感じられ、正しい方向に近づいていること、あるいは鍵を見つけたかもしれないことを知らせてくれる場合があります。私たちの研究によって、目録に含まれる特定の細胞からなる専用の回路が存在することが明らかになりました。私たちはこれを「ハブ細胞」と呼んでいます。これらの細胞は、脳に対して、さらに詳しく調べる必要のある際立った特徴に遭遇したことを知らせる役割を果たします。
ハブ細胞について、驚かされた点はありましたか？
ハブ細胞は、特徴の検出に重要であることが分かっていますが、環境が変化した際にも興味深い反応を示します。学習や適応性に重要であることが知られている特定の遺伝子群があり、それらは環境の変化に応じて発現が増減します。私たちは、ハブ細胞ではそれらの遺伝子が常に発現していることを発見しました。これは現在の一部の原理に反する結果です。環境が変化すると、これらの細胞は変化を補おうとして反応します。学習と適応性に重要であることが分かっています。
あなたの研究結果の重要性は何ですか？
私たちの研究成果は、脳卒中などのさまざまな神経疾患や、自閉スペクトラム症などの神経精神疾患に関連しており、これらの疾患では知覚の感覚が変化することがあります。脳を均質な組織として捉えるのではなく、どの特定の細胞の種類が最も関連性が高いかを理解することで、高度に標的化された治療法の開発が可能になります。
これは、特定の症状の根本原因を直接治療するための、画期的な進展を示すものです。同時に、他の治療法や介入法による望ましくない副作用を回避できる可能性もあります。近年の脳疾患治療における大きな課題の一つは、対象とする回路だけでなく、触れてほしくない他の回路にも影響を与えてしまうことです。特定の回路を遺伝学的に操作できるようになったことで、それらの回路のみに作用する標的治療を設計できる可能性があります。
今回の研究では、アレン脳科学研究所の目録をどのように活用しましたか？
目録は、ニューロンの分子組成を記述するにすぎず、ニューロンの機能や、それらが行う計算について必ずしも示すものではありません。私たちの研究チームが開発した技術は、この目録の新たな情報を活用し、さらに次の層の情報、すなわち細胞の活動パターンを加えるものです。これにより、目録に含まれる細胞の機能を、包括的な方法で焦点を絞って研究することが可能になります。このため、私たちはこの手法を「Comprehensive Readout of Activity and Cell type MarKers（CRACK）」と呼んでいます。これは神経回路の解読（cracking neural circuits）に掛けた言葉遊びです。私たちはCRACKプラットフォームを、触覚の知覚に関与する大脳皮質の特定の部位の研究に応用しました。動物が環境内の物体に触れた際に、目録に含まれる異なるニューロンが情報をどのように処理し、他のニューロンとどのように情報をやり取りするかを調べました。また、環境が変化した際に、ニューロンがどのように適応するかについても調べました。
私たちのCRACK技術は、目録2.0への道を開くものです。これにより、研究者は脳内のすべての細胞について、分子情報と機能情報の両方を収集できるようになります。このプラットフォームを用いて、マウスの脳の異なる部位がどのように機能しているかを理解し始めることもできます。現在、感覚記憶に関連する脳の別の部位へと研究を進めつつあります。
私たちの全体的な目標はヒトの脳を理解することです。そのため、マウスの脳で進めているこの細胞の目録化は、実のところ、ヒトの脳に関する同様の目録を作成するための予備的な試みにすぎません。
この問題を研究しようと思われたきっかけは何ですか？
私たちの研究室では、知覚と認知の神経基盤に関心を持って研究を行っています。脳は体内で最も複雑な器官です。その複雑さは、脳内の数十億ものニューロンがすべて同じではないという事実によって、部分的に特徴づけられています。数十万種類ものニューロンが存在し、それぞれ異なる機能を担い、異なる計算を行っています。脳がどのように機能しているかを真に理解するためには、脳を個々の構成要素にまで分解し、それらの構成要素が行動中にどのように相互作用するのかを問い始める必要があります。
次に研究したいと考えていることは何ですか？
新たな技術と研究成果に基づき、私たちは多くの方向性で研究を進めています。目録に含まれる特定の細胞の種類から成る、神経可塑性のための専用回路という考え方は、私たちの研究における驚くべき発見であり、特に興味深いものです。これは私たちが継続的に追究している分野の一つであり、脳の他の部位にも同様の回路が存在するか、またそれらがどのように機能するのかを、学習や記憶の過程、そして時間の経過の中で具体的に調べています。
本研究は、米国国立衛生研究所（NIH）のNew Innovator Award、Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies（BRAIN）イニシアチブ、および米国国立精神衛生研究所（NIMH）の支援を受けて実施されました。
