研究最前線

脳には膨大な数の神経細胞があり、それらが互いにつながり合い、複雑な神経回路をつくっている。その神経回路を信号が巡り、情報処理されることで、さまざまな機能が生まれる。
「神経回路は固定されたものではなく、生後の発達や環境に応じて変化します。神経回路がどのように変化することで情報の処理効率を変え、適切な機能を生み出しているのか、そのメカニズムの解明を目指しています」と脳科学総合研究センター（BSI）大脳皮質回路可塑性研究チームの津本忠治チームリーダー（TL）は言う。ターゲットは視覚だ。津本TLは、多数の神経細胞の活動を、種類を区別して同時に観察できる2光子励起カルシウムイメージング法を遺伝子改変動物に適用。2014年にはそれを駆使して、目覚めているときに感覚が鋭くなる神経回路の仕組みを明らかにした。

覚醒しているときに、なぜ感覚が鋭くなるのか？

るのだろうか。神経細胞は、核がある細胞体から長い軸索といくつにも分岐した短い樹状突起が出ていて、それらがほかの神経細胞とつながっている。樹状突起は情報を受け取る入力装置、軸索は情報を送る出力ケーブルだ。

■ 神経細胞の情報伝達1000 億個、大脳皮質には約 150 億個の情報は、軸索の中を電気信号として目から入った光の情報は、網膜にある神経細胞があり、複雑な神経回路を形伝わる。しかし、シナプスと呼ばれる視細胞が受け取り、電気信号に変換さ成している。視覚野の神経回路がどのよ軸索の末端と次の神経細胞の細胞体やれる。その電気信号が視神経を経て大うに動作することで情報を処理し、認識樹状突起との間には数万分の 1mm ほど脳の後頭葉にある視覚野に運ばれ、神しているのか。そのメカニズムを明らかの隙間があり、電気信号はそこを跳び経細胞が反応することで、明暗や色、形にすることが、津本 TL の研究テーマだ。

越えることができない。シナプスまでなどが認識される。ヒトの脳全体には約神経細胞はどのように情報を伝えてい電気信号が伝わると、神経伝達物質と呼ばれる化学物質が分泌される。その皮質表面からの深さ伝達物質が次の神経細胞の表面にある受容体に結合すると、電気信号が生じるのだ。
大脳皮質の神経細胞は、主に 2 種類
すいたいだ。細胞体が錐体形で軸索が長い錐体140μm細胞と、細胞体の多くが星のような形で軸索が短い介在細胞である。シナプ
スから放出する神経伝達物質も違う。
錐体細胞はグルタミン酸を放出してほかの神経細胞を興奮させ、介在細胞はギ150μmャ

バ

ガンマアミノ酪酸（GABA）を放出してほかの神経細胞の興奮を抑制する。それ故、錐体細胞は興奮性神経細胞、介在細胞は抑制性神経細胞とも呼ばれている。

160μm■ 多数の神経細胞の活動を同時に記録
脳の情報処理のメカニズムを解明す
るには、神経細胞の活動を調べる必要

2 光子励起カルシウムイメージング法による視覚野の神経細胞の可視化
白は興奮性神経細胞（錐体細胞）、緑は抑制性神経細胞（介在細胞）、赤は神経細胞に栄養供給などをしているグリア細胞である。刺激に対して神経細胞が活動する様子を蛍光強度の変化として可視化できる。

06 R I KE N NE WS 2014 D ec em be rがある。1950 年代から使われているのが、先端が非常に細い電極を脳に刺して神経細胞が活動したときの電位変化

撮影：STUDIO CAC

津本忠治（つもと・ただはる）
脳科学総合研究センター
大脳皮質回路可塑性研究チーム
チームリーダー

1942年、富山県生まれ。医学博士。大阪大学医学部医学科卒業。同大学医学部助手、西ドイツ（当時）マックスプランク生物物理化学研究所研究員、金沢大学医学部助教授、米国カリフォルニア大学バークレー校客員研究員、大阪大学医学部教授などを経て、2005年より理研脳科学総合研究センターユニットリーダー。2009年より現職。2005〜10年に日本神経科学学会会長を務める。

を記録する微小電極法だ。

た。顕微鏡の視野に入る数百個の神経択性が非常に強いが、抑制性神経細胞「微小電極法は、脳科学の発展に大き細胞を同時に観察できます。ところが、は方位選択性を持たず、反応に大きなく寄与してきました。しかし、1回に1 個Ca 蛍光指示薬とGFP の蛍光同士が干違いがあることが明らかになった。

からせいぜい数個の神経細胞の活動し渉してしまい、うまくいきませんでした。

か記録できません。脳における情報処

諦めずに試行錯誤を繰り返し、新しい理は、多数の神経細胞から成る複雑なCa 蛍光指示薬を使うことで、ようやく■ 覚醒によって神経細胞の反応が変化
津本 TL らは最近、2 光子励起カルシ神経回路で行われています。数個の神干渉の回避に成功したのです」

ウムイメージング法を用いて新たな実2+2+経細胞の活動だけを調べても、情報処

蛍光顕微鏡は 2 光子励起走査型を使験を行った。
「物の見え方は、目覚めて理のメカニズムはほとんど分かりませう。従来の蛍光顕微鏡では、1 個の蛍光いて意識があるかどうかや、特定の対ん」と津本 TL は指摘する。

分子が 1 個の光子を吸収して励起状態と象に注意を払っているかどうかによっ「多数の神経細胞の活動を同時に、しなって発する蛍光を捉える。2 光子励起ても変わります。覚醒しているときやかも細胞の種類を区別して調べること。

型では、1 個の蛍光分子が 2 個の光子を注意を払っているときは、感覚が鋭敏

それが、私たちの大きな目標でした。そ同時に吸収して励起状態になる。励起になります。覚醒や注意によって神経して 2007 年、2 光子励起カルシウムイ

光の波長は 1 光子励起の約 2 倍だ。波長回路の情報処理機能が変わるのでしょ

メージング法を用いて、多数の神経細胞が長いと散乱が少ないため励起光が深うか。変わるとすれば、どのように変の活動を同時に、しかも興奮性と抑制性くまで届き、深部を高解像度で観察できわるのでしょうか。まず覚醒で感覚がを区別して観察することに世界で初めてる。焦点位置を徐々に深くしていけば、鋭敏になる仕組みを明らかにすること成功しました」（タイトル図）立体的なイメージングも可能だ。

を目指しました」「2 光子励起カルシウムイメージング法

津本 TL は早速、2 光子励起カルシウ

抑制性神経細胞だけで GFP が発現すを実験動物に応用するには、とても苦労

ムイメージング法を用いて視覚野の神経る遺伝子改変ラットの脳内に Ca2+ 蛍光しました」と津本 TL。まず、抑制性神細胞の活動を調べた。具体的には、麻指示薬を注入し、麻酔をかけておく。そ経 細 胞 だ け で 緑 色 蛍 光 タン パ ク 質

酔をかけたマウスの眼前にディスプレイして、ラットの眼前のディスプレイにし（GFP）が発現するように遺伝子を改変を置いて、さまざまな傾きのしま模様のま模様の画像を映し、意識がない麻酔したマウスに着目した。蛍光顕微鏡で観画像を映し、神経細胞の活動を観察し状態から麻酔が切れて意識がある覚醒察すれば、抑制性神経細胞だけを可視た。麻酔状態では意識はないが、目を開状態に移るときに、視覚刺激に対する神化できる。しかし、神経細胞の活動は分いていれば光の情報が視覚野に伝わり、経細胞の反応がどう変わるかを観察しからない。そこで、カルシウムイオン神経細胞は活動する。視覚刺激にさまた（図1左）。覚醒したかどうかは、脳波（Ca ）蛍光指示薬に注目。神経細胞がざまな傾きのしま模様を使ったのは、視で判定できる。

活動すると細胞内の Ca 濃度が上昇す

覚野の神経細胞には方位選択性といっ実験の結果、覚醒すると抑制性神経る。Ca 蛍光指示薬は、Ca と結合するて特定の傾きの輪郭にしか反応しない細胞の反応が大きくなることが分かっと白色の蛍光を発するものだ。

性質があることが知られているからだ。

た。興奮性神経細胞は一見すると変化

2+

2+2+2+「遺伝子改変マウスの脳内に Ca 蛍光実験の結果、興奮性神経細胞は特定がないようだが、詳細に解析すると、反指示薬を注入して蛍光顕微鏡で観察すの傾きのしま模様だけに強く反応した。

応の大きさは変わらないが反応の減衰がれば、抑制性は緑、興奮性は白と色分

一方、抑制性神経細胞は、どの傾きの速くなることが明らかになった（図1右）。

けして、それぞれの活動を蛍光強度のしま模様に対してもほぼ一様に反応し「覚醒によって、抑制性神経細胞と興奮変化として可視化できると期待しました。つまり、興奮性神経細胞は方位選性神経細胞の反応が変わることが分か

2+

R I K E N N E W S 2 0 1 4 D e c e m b e r 07

研

究

最前線
20

2 光子励起（% ）走査型顕微鏡

15脳波記録ディスプレイ

麻酔1050-5覚醒

036912 秒

図 1 覚醒時の視覚刺激による興奮性神経細胞の反応
左は、2 光子励起カルシウムイメージング法の実験の模式図。眼前のディスプレイに映ったしま模様がさまざまな方向に動く。右は、視覚刺激に対する興奮性神経細胞の反応。麻酔状態から覚醒状態に移ると、興奮性神経細胞は反応の減衰が速くなる。黄色の部分は視覚刺激を与えた時間で、縦軸は反応の強さを示す。

アセチルコリン投射系の神経細胞にチャネルロドプシン 2 を発現

青色光照射
微小電極

軸索

30細胞は反応が大きくなり、興奮性細胞は（%）

20

反応の大きさは変わらず減衰が速くなり刺激なし

視覚野ました（図 2 右）。麻酔状態から覚醒状態

10に移ったときの変化と同じです。これは、覚醒による脳機能の変化にはアセチルコ0刺激あり遺伝子改変マウスの脳 細胞体0510

リン投射系が関与していることを明確に15 秒

図 2 アセチルコリン投射系刺激による興奮性神経細胞の反応
左は、光遺伝学を用いた実験の模式図。麻酔状態にある遺伝子改変マウスの脳に青色光を照射してチャネルロドプシン 2が発現しているアセチルコリン投射系の神経細胞だけを活性化する。右は、微小電極を用いて記録した興奮性神経細胞の反応。アセチルコリン投射系を刺激すると、興奮性神経細胞は反応の減衰が速くなる。

示す初めての証拠です」
さらに脳を薄く切り出して詳しく調べ、覚醒時の視覚刺激に対する神経回路が明らかになった（図 3）。覚醒時には、前脳基底核のアセチルコリン投射系が活りました。では、どのような仕組みで反応が変わるのだろうか。それを明らかにするため、別の実験を行いました」

た光遺伝学である。

性化し、抑制性神経細胞の視覚刺激にまず、アセチルコリン投射系の神経対する反応を増大させる。その結果、興細胞だけでチャネルロドプシン 2 という奮性神経細胞の反応が抑制される。たタンパク質が発現するように、マウス

だし、抑制性神経細胞による興奮性神■ 光遺伝学で神経細胞の活動を制御
津本 TL が注目したのは、アセチルコの遺伝子を改変する。その脳に青色光経細胞の抑制は時間遅れで働くため、を照射すると、チャネルロドプシン 2 の興奮性神経細胞の反応の大きさは変わリンという神経伝達物質を放出する神経チャネルが開いてイオンが移動し、そらず減衰のみが速くなるのだ。

細胞である。その細胞体は前脳基底核の神経細胞だけが活性化する。しかも「アセチルコリン投射系は抑制性と興にあり、大脳皮質のさまざまな場所に長チャネルロドプシン 2 は細胞体だけでな奮性、両方の神経細胞を活性化するとい軸索を伸ばしていることからアセチル

く、大脳皮質に伸びた軸索にも発現し考えていたので、この結果は驚きでしコリン投射系と呼ばれている。
「覚醒にているため、光を脳の表面に照射すれた。しかしよく考えると、興奮性神経細よる脳機能の変化にはアセチルコリンのば神経細胞を活性化できる（ 図 2 左 ）。

胞の反応の減衰が速くなるというのは、放出が関わっているのではないかといわチャネルロドプシン 2 の代わりにハロロ

感覚の鋭敏化にとって理にかなっていれていたのですが、詳細は不明でした。

ドプシンを発現させて黄色光を照射すます。神経細胞は反応しているときにそこで、アセチルコリン投射系を刺激すれば、その神経細胞だけの活動を抑制

次の刺激が来ても、反応できません。

ると視覚野の神経細胞の反応がどのようできる。神経細胞の活動を容易に制御反応が速く減衰することで、次に来るに変わるかを調べてみることにしましできる光遺伝学は、神経回路の機能解刺激に反応しやすくなり、感覚が鋭敏た。問題は、どのようにアセチルコリン析に役立つことから近年、大変注目さになるのです」

投射系を刺激するかでした」

れている。

前脳基底核は脳の深い位置にある。

今回の成果は、覚醒によって活性化される感覚を鋭敏にする回路が存在す■ 覚醒で感覚が鋭敏になる仕組み
津本 TL は、麻酔をかけた遺伝子改変

ること、そしてその回路の仕組みを明らほかの神経細胞も刺激してしまうため、アセチルコリンと覚醒との関連が分からマウスの脳に青色光を照射してアセチル意を払うことによっても同じ感覚鋭敏化なくなってしまう。その問題を解決した

コリン投射系を活性化し、視覚野の神回路が働くのかを明らかにしていきまのが、遺伝子工学と光の技術を融合し経細胞の活動の変化を調べた。
「抑制性す。覚醒は麻酔で制御できますが、注電極を刺して電流を流す方法もあるが、08 R I KE N NE WS 2014 D ec em be r

かにした画期的なものだ。
「今後は、注

関連情報

2014年7月23日プレスリリース「覚醒や注意が感覚を鋭くする脳回路を解明」

2010年1月27日プレスリリース「脳発達の「臨界期」が終了した後でも変化する神経細胞群を発見」

2007年2月21日プレスリリース「働きの異なる脳細胞の活動を色分けして観察することに成功」

意を払っているかどうかは制御が難しり回路の再構成が起きたりする時期があていることを明らかにした。臨界期につく、実験方法を検討しているところです」

り、臨界期と呼ばれている。例えば、生いての常識を覆す成果である。
「2 種類

後初期に片目を一時的にふさいでおくの神経細胞の違いを追究することで、可■ 可塑性のメカニズムに迫ると、視覚野の神経細胞がその目から入っ塑性のメカニズムを解明しようとしてい「神経回路は固定されたものではありた光刺激に反応しなくなることが、ネコます」と津本 TL。
「可塑性や感覚の鋭敏ません。環境に応じて神経回路が変化やマウスの実験で知られている。そのよ化、方位選択性などを生み出しているのすることで、処理効率を調整している

うに神経細胞の反応が変化する性質はは、主に抑制性神経細胞だと考えていまのです。神経回路の変化は、特に生後可塑性と呼ばれ、可塑性は臨界期を過す。視覚野の神経細胞は約 80％が興奮の発達期に顕著に見られます。今回はぎると失われると考えられてきた。津本性で、抑制性は約 20％しかありません。

詳しく紹介しませんが、臨界期の可塑TL はマウスで片目をふさぐ実験を行い、少ない数で情報処理を制御する仕組み性のメカニズムについても研究を進め興奮性神経細胞は臨界期を過ぎると可をぜひ明らかにしたいですね」ています」

塑性をほとんど失うが、抑制性神経細生後、神経回路が集中的につくられた胞は臨界期を過ぎても可塑性を保持し津本 TL は「新しい技術がないと新しい発見はない」との考えから、これまでも最先端の技術を取り入れたり、組み合わせたりして、視覚神経回路の解明を進アセチルコリン投射系活性化

抑制めてきた。さらなる解明のためには、ど第1層のような技術が必要なのだろうか。
「抑制性神経細胞は、数種類あります。
それを区別して観察したいですね。ま抑制性神経細胞（介在細胞）

た、光遺伝学はますます重要になるでしょう。光の照射によってチャネルロド
第 2 層・第 3 層

プシン 2 を発現している不特定多数の神経細胞が活性化されてしまいますが、1個あるいは狙った数の神経細胞だけを活性化できるようにしたい。さらに、脳興奮性神経細胞（錐体細胞）を露出させたり体を傷つけることなく神経細胞を活性化できる技術も必要です」
視覚神経回路の情報処理メカニズムを解明できる日は来るのだろうか。津本「BSI、そして理研には、TL は即答した。

前脳基底核

視覚入力

図 3 覚醒による視覚反応の鋭敏化とその神経回路覚醒によって前脳基底核のアセチルコリン投射系が活性化される。放出されたアセチルコリンが主に視覚野の大脳皮質第1層の抑制性神経細胞を活性化する。活性化した抑制性神経細胞は、興奮性神経細胞の視覚入力に対する反応を抑制する。興奮性神経細胞を抑制する回路は時間遅れで働くため、興奮性神経細胞の反応の大きさは変わらず、減衰が速くなる。反応の減衰が速くなると次の刺激に反応しやすくなり、感覚が鋭敏化する。

蛍光タンパク質、遺伝子改変、レーザーなどさまざまな技術の専門家がいます
し、最先端の装置もあります。その環境を活かせば、遠くない将来、視覚神経回路をひもとくことは可能でしょう」（取材・執筆：鈴木志乃／フォトンクリエイト）

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