脳は、ニューロンがほかのニューロンとの新たな、あるいはより強い結合を形成することで新しい働きを担えるため、柔軟性、つまり「可塑性」が高いことでよく知られています。しかし、一部の結合が強まるなら、入力に圧倒されないようニューロンは補償しなければならないと、神経科学者たちは考えてきました。新たに発表されたScience誌の研究で、MITのピコワー学習・記憶研究所の研究者たちは、このバランスがどのように保たれるかを初めて実証しました。シナプスと呼ばれる結合が強まると、重要なタンパク質Arcの働きにより、すぐ隣のシナプスが弱まるのです。
筆頭著者のMriganka Surは、脳のように複雑なシステムの中核にある単純で基本的な法則をチームが発見したことに、驚きはなかったものの興奮したと語りました。脳には1,000億個のニューロンがあり、それぞれが絶えず変化する何千ものシナプスを持ちます。Surはこれを、巨大な魚の群れが一斉に突然向きを変える様子になぞらえます。先頭の魚が曲がり、ほかの魚がそれぞれ目の前の魚についていくという単純なルールに従えばよいのです。
「複雑なシステムの集団的な振る舞いには、常に単純なルールがあります」と、MITピコワー研究所および脳・認知科学部門のPaul E. and Lilah Newton神経科学教授であるSurは述べます。「あるシナプスの強度が増すと、50マイクロメートル以内では、明確に定義された分子メカニズムによってほかのシナプスの強度が低下します。」
Surによると、この発見は、シナプスの強化と弱化がニューロン内でどのように組み合わさり、可塑性を生み出すのかを説明するものです。
複数の操作
発見した法則は単純でしたが、それを明らかにした実験はそうではありませんでした。マウスの視覚野で可塑性を活性化し、それを引き起こすシナプスの変化を追跡する中で、Sur研究室のポスドク研究員である筆頭著者のSami El-BoustaniとJacque Pak Kan Ipは、いくつもの初の成果を達成しました。
重要な実験の一つでは、ニューロンの「受容野」、つまり反応する視野の領域を変えることで可塑性を引き起こしました。ニューロンは、枝状の樹状突起にある小さな棘上のシナプスを通じて入力を受け取ります。ニューロンの受容野を変えるため、研究者たちは対象となるニューロンの関連する樹状突起上で、正確な棘を特定しました。そして、ニューロン本来の受容野とは異なる画面上の特定の場所に標的を見せながら、そのシナプスの変化を細かく観察しました。誘導したい新たな受容野の位置に標的が現れるたび、マウスの視覚野内に青色光を点滅させ、別のニューロンが起こすような追加の活動を誘発して、ニューロンの反応を強めました。このニューロンは光の点滅で活性化するよう遺伝子操作されていました。この手法は「光遺伝学」と呼ばれます。
研究者たちはこれを何度も繰り返しました。光刺激がマウスの視野内の新しい位置に標的が現れるたびに連動したため、ニューロンは棘上の特定のシナプスを強化し、新たな受容野を記録しました。
「生きた脳の中で単一のニューロンを再プログラムし、生きた組織内で、シナプス可塑性を通じて細胞が新たな機能を取り込むことを可能にする多様な分子メカニズムを観察できるのは、とても驚くべきことだと思います」とEl-Boustaniは述べます。
新しい受容野に対応するシナプスが成長するにつれ、研究者たちは二光子顕微鏡で近くのシナプスも縮小する様子を確認できました。光遺伝学的刺激を受けていない実験対照ニューロンでは、こうした変化は観察されませんでした。
さらに研究者たちは、発見を確かめるために検証を重ねました。シナプスは非常に小さく、光学顕微鏡の解像限界に近いためです。実験後、チームは操作したニューロンと対照ニューロンの樹状突起を含む脳組織を切り出し、スイスのローザンヌ連邦工科大学の共著者たちに送りました。共著者らは、特殊な高解像度の3次元電子顕微鏡撮像を行い、二光子顕微鏡で見られた構造上の違いが実際に存在することを確認しました。
「これは、生体内で撮影された後に再構成された樹状突起として、これまでで最も長いものです」と、MITのSimons Center for the Social Brainも率いるSurは述べました。
もちろん、遺伝子操作したマウスのニューロンを光の点滅で再プログラムするのは不自然な操作です。そこでチームは、より古典的な「単眼遮蔽」実験も行い、マウスの片目を一時的に閉じました。すると、閉じた目に関連するニューロンのシナプスは弱まり、開いたままの目に関連するシナプスは強まります。その後、閉じていた目を再び開くと、シナプスは再び再編成されます。チームはこの変化も追跡し、シナプスが強まると、補償するようにすぐ隣のシナプスが弱まることを確認しました。
Arcの謎を解く
新たな法則が働く様子を確認した研究者たちは、ニューロンがどのようにその法則に従うのかも解明したいと考えました。化学標識を使って、重要な「AMPA」受容体がシナプス内でどう変化するかを観察したところ、シナプスの拡大と強化はAMPA受容体の発現増加と、縮小と弱化はAMPA受容体の発現減少と相関していました。
タンパク質ArcはAMPA受容体の発現を調節します。そのためチームは、何が起きているかを完全に理解するにはArcを追跡する必要があると気づきました。Surによると問題は、生きて行動している動物の脳内でArcを追跡した人がこれまでいなかったことです。そこでチームは、京都大学大学院医学研究科と東京大学の共著者たちに協力を求め、Arcを追跡できる化学標識を開発してもらいました。
その標識を使うと、強まったシナプスの周囲に、Arcの発現が増えた弱いシナプスがあることが分かりました。Arcの量が減ったシナプスではAMPA受容体をより多く発現できる一方、隣接する棘でArcが増えると、それらのシナプスではAMPA受容体の発現が減りました。
「Arcはシナプス資源のバランスを保っていると考えています」とIpは述べます。「何かが増えれば、何かが減らなければなりません。それがArcの主な役割です。」
Surによると、この研究はArcの謎を解明しました。シナプス可塑性が起きている樹状突起ではArcの発現が増えるように見える一方、Arcはシナプスを弱める作用を持つため、その理由はこれまで分かっていませんでした。今では答えが明らかです。強まるシナプスはArcを増やし、隣接するシナプスを弱めるのです。
Surはさらに、この法則は、ニューロンが別のニューロンからの繰り返しの刺激にどう適応するかを示すため、個々のニューロンのレベルで学習や記憶がどのように働くのかを説明する助けになると述べました。
ロチェスター大学視覚科学センターの神経科学准教授Ania Majewskaは、この研究の高度な手法により、チームは重要な新たな成果を得ることができたと述べています。
「ニューロンをつなぐ微小で数の多いシナプスを観察し、操作するのは難しいため、ほとんどの研究は単純化された標本と人工的な刺激を使って行われてきました。そのため、特定されたメカニズムが、環境に反応する脳内で機能する複雑な回路に実際にどのように実装されているのかは不明でした」とMajewskaは述べます。「Sur研究室のこの新しい研究は大きな意義があります。最先端のイメージング技術と遺伝子ツールを組み合わせ、行動に関連する刺激に反応してニューロンの応答が変化する脳内で、個々のシナプスの機能を見事に観察しているからです。
「この卓越した手法による結果から、健常な脳では、近接するシナプス同士が回路機能の変化に伴って相互作用し、そのメカニズムにはArcが重要な役割を果たす分子カスケードが関与していると言えます」と彼女は述べました。「この知見により、生理的な環境で神経回路がどのように発達し再構築されるかを理解できるだけでなく、さまざまな神経疾患でこうした過程がどのように破綻するのかを特定するうえで重要な手掛かりも得られます。」
Sur、El-Boustani、Ipのほか、この論文の著者はVincent Breton-Provencher、Ghraham Knott、Hiroyuki Okuno、Haruhiko Bitoです。
研究資金は、ピコワー研究所イノベーション基金、Simons Center for the Social Brain、Marie Curie博士研究員フェローシップ、Human Frontier Science Program長期フェローシップ、米国国立衛生研究所、米国国立科学財団、KAKENHIから提供されました。
