研 究 最 前 線

神経回路の形成メカニズムを探る
見学美根子 KENGAKU Mineko
脳科学総合研究センター 神経分化修復機構研究グループ
神経細胞極性研究チーム チームリーダー「顕微鏡で脳の神経回路を見ていると、本当に美しく、感動します。こんなに美しいものがどのようにしてできるのか、そのメカニズムを知りたいのです」と見学美根子チームリーダーは語る。脳ができるときには、さまざまな種類の数百億個の神経細胞が生まれ、それぞれが機能する位置へ移動し、正しい方向へ突起を伸ばしてほかの神経細胞とつながり合い、神経回路が形成されていく。神経細胞極性研究チームは、主に小脳を研究対象にして神経回路の形成メカニズムを探っている。その研究は、細胞を移植して神経回路を再構築させる再生医療や、神経系の難病の原因解明と治療に貢献すると期待されている。

神経細胞は働くべき場所へ移動するして、神経回路がつくられる仕組みを解き明かそ

神経細胞は、電気信号を発生する細胞で、核をうとしている。小脳には、プルキンエ細胞や顆粒細含む細胞体から2種類の突起が伸びている。一つ胞など大きく分けて5種類の神経細胞があり、分子は、電気信号をほかの細胞へ伝える軸索と呼ばれ層・プルキンエ細胞層・顆粒層という3層構造をつる長い突起。もう一つは、電気信号をほかの細胞くっている（図1）。分子層では、平行線維と呼ばれから受け取る樹状突起と呼ばれる複雑に枝分かれる顆粒細胞の軸索が、プルキンエ細胞の扇状の樹した突起である。このような神経細胞がヒトの脳に状突起と垂直に交わっている。その分子層の下には数百億個あり、それらが正確に 配線 されて精プルキンエ細胞の細胞体が並んだ層、さらにその密な神経回路が形成され、電気信号をやりとりす下に顆粒細胞の細胞体が並んだ層がある。
「小脳ることで、さまざまな機能を発揮している。

はまるで美しい織物のような構造をつくっているの膨大な数の神経細胞が正確に効率よく 配線 さです」と見学チームリーダーは表現する。この小脳れるには、さまざまな種類の神経細胞が、それぞれの神経回路ができるとき、顆粒細胞の細胞体は、その機能する場所に配置され、正しい方向へ軸索やの両側から軸索を伸ばして平行線維をつくりなが樹状突起を伸ばして、ふさわしい相手の神経細胞ら分子層を平行移動する。やがて直角に方向転換と結合しなければならない。ただし、神経細胞はして下降し、プルキンエ細胞層を通り過ぎ顆粒層機能する場所で生まれるわけではない。神経細胞にたどり着く（図2）。

は、生まれた場所から機能する場所へ正確に移動

見学チームリーダーらは、この顆粒細胞が直角していかなければならない。なぜ、神経細胞は自に曲がる現象に注目した。
「できたばかりの顆粒細分の進むべき道を正確に歩んでいけるのだろう

胞を取り出してシャーレで培養すると、顆粒細胞はか。そして、どのような仕組みで正しい方向へ軸索軸索を伸ばした後、やがて直角に曲がります。従や樹状突起を伸ばし、ふさわしい相手の神経細胞って、顆粒細胞自体に直角に曲がる遺伝的メカニと結合して、神経回路を形成するのだろうか。

ズムが備わっていると考えられます。私たちはそのメカニズムを解明するために、顆粒細胞の中で、直角に曲がる神経細胞
見学チームリーダーは、小脳を主な研究対象に

8理研ニュース No. 295 January 2006

曲がる前には発現していなくて、曲がった直後から発現するタンパク質を探しました」

デ ィ ナ ー

こうして2002年、見学チームリーダーらはDNERというタンパク質を発見した。しかし、その後の研図1 小脳の構造究により、DNERは顆粒細胞よりもプルキンエ細胞

平行線維（顆粒細胞の軸索）で強く発現していることが分かった。DNER は顆
粒細胞が直角に曲がるときに必要なタンパク質で分子層はなく、プルキンエ細胞で何か重要な働きをしているらしい。DNERは細胞膜に埋め込まれた膜タンパク質で、その一部を細胞の外側へ突き出している。その外側に突き出した部分の分子構造から、
ノッ

プルキンエ細胞層
プルキンエ細胞

顆粒層

チ顆粒細胞

DNERはNotchというタンパク質と結合することが推定された。Notchも膜タンパク質で、細胞外か断面写真

斜め上から見た構造図

せきついら情報を受け取る受容体として、昆虫や脊椎動物

図2 直角に曲がり、下降する顆粒細胞を含むあらゆる動物の体がつくられるとき、重要な役割を果たしていることが知られている。
神経細胞をつくる元の細胞である神経幹細胞にもNotchが発現している。神経幹細胞から神経細胞ができると、その細胞膜からある種のタンパク質が突き出て、周りにある神経幹細胞のNotchと結顆粒細胞を光るようにして、小脳の切片を顕微鏡下で培養しながら、断面を数時間連続撮影した画像。

合し、情報を伝える。するとその神経幹細胞はグリア細胞へ分化する。グリア細胞は、脳・神経系をつくる細胞のうち、神経細胞でないものの総称その成長と突起形成を促すのだ。そしてバーグマで、神経細胞の働きを支援している。ヒトの脳にはングリアの突起を足場にして、プルキンエ細胞は樹神経細胞の約10倍もの数のグリア細胞があると推状突起を分子層へ伸ばしていくと考えられる。さら定されている。
「先に神経細胞に分化した細胞は、にバーグマングリアの突起は、顆粒細胞が直角に周りの神経幹細胞のNotchに働き掛けて、 もう神曲がった後に顆粒層へ下降するための足場として経細胞は足りているから、グリア細胞になりなさい

も、その移動を支援しているらしい。という指令を送るわけです。このような仕組みで神「個々の神経細胞が、どのような突起を伸ばすか経細胞とグリア細胞の数のバランスが保たれます。

は、顆粒細胞やプルキンエ細胞といった細胞の種

昆虫やマウスを使った遺伝子操作の実験でNotch

類によって遺伝的なプログラムが決められていまの働きを抑えると、神経細胞だらけになって発生す。しかし、細胞がどちらの方向へ移動するか、突の初期に死んでしまうことが知られています」

起をどちらの方向へ伸ばすかを決めるには、外部からの情報が必要です。遠くの細胞や周りの細胞

DNERはグリア細胞の成長を促す
DNERが現れるのは、神経幹細胞から神経細胞が分泌したタンパク質などに引き付けられたり、反発したりして、方向を変えていきます」とグリア細胞への分化が終了した後である。では

ただし、脳は神経細胞やグリア細胞の突起です

DNER はどのような働きをしているのだろうか。プ

き間なく埋め尽くされている。神経回路ができるに

ルキンエ細胞の DNER は、その周囲にあるバーグは、細胞同士が突起を伸ばす場所を取り合ったりマングリアというグリア細胞の Notch に結合し、情譲り合ったり、ある細胞の突起の伸展を別の細胞報を伝えることを見学チームリーダーらは突き止めが 支 援したりする相 互 作 用 が 必 要 だ 。そ のときた（図3）。さらに、DNERができなくなったマウスは、DNERとNotchのように隣り合う細胞同士に働く接バーグマングリアの突起形成が進まず、小脳の神経触型の情報伝達も重要だと考えられる。
「DNERは回路の発達が著しく遅れることも確かめられた。

今のところ脊椎動物にしか見つかっていません。進プルキンエ細胞は平行線維から情報を受け取る化の過程で脳の細胞の種類が膨大に増えたことために、樹状突起を分子層へと伸ばしていく。そで、突起のパターンを微調整するDNERのような接のときプルキンエ細胞はたくさんのDNERをつくり、触型の情報伝達が必要になった可能性があります」

バーグマングリアのNotchに結合して指令を伝え、細胞同士は、情報が広く伝わる分泌型や、近隣No. 295 January 2006 理研ニュース9

に細かい指令を出す接触型の情報伝達方法を組み究は、そのための基礎知識を提供できるはずです」

合わせてコミュニケーションしながら、高度な機能を発揮する神経回路をつくっていくのだ。

現象の再発見の時代

DNERは大脳皮質などの神経細胞でも発現が見さて、見学チームリーダーらは、もともとの疑問られる。そこでも突起形成の調整を行っているのかである小脳の顆粒細胞が直角に曲がるメカニズムどうか、見学チームリーダーらは研究を続けている。

を、今後、どのような方法で解明しようとしているのだろうか。
「今は現象の観察に立ち返ろうと考え神経系の難病治療への貢献ています。顆粒細胞は曲がる瞬間、細胞体が丸く「DNER を発見したとき、真っ先に調べたのが、なり、たくさん突起を出してどちらの方向へ行くかこのタンパク質をつくる遺伝子が神経系の難病のを模索するのかもしれません。あるいは、いきなり原因遺伝子になっていないかです。残念ながら関ある方向へ 1 本の突起を出して曲がるのかもしれ連性は見つかりませんでしたが、神経回路形成にません。それを観察することで、直角に曲がる仕関する研究の中から、現在は原因が分からず、良組みをある程度推測できます」

い治療法がない神経系の難病の原因遺伝子が見つかる可能性があります」

見学チームリーダーは、「今は現象の再発見の時代です」と続ける。
「従来、組織を薄い切片にして薬こんせき

神経細胞の移動の異常や層構造がうまくできな品などで固定した、死んだ細胞の動きの痕跡を観察

いことが原因で、精神発達障害やてんかん、運動していました。しかし最近の顕微鏡技術の進歩によ障害が起きることが知られている。また、樹状突起り、脳の組織を厚くスライスして培養しながら観察しの形成の異常が、神経系の難病の原因になっていたり、生きた動物の脳の表層を直接観察して、組織る可能性もある。それらの原因遺伝子が見つかれの中で細胞が動いている様子を、高倍率でとらえらば、根本治療への道が開ける。神経回路形成に関れるようになりました。神経回路の形成について、多する研究は、脳の再生医療への貢献も期待されてくの疑問がだんだん解明されてきましたが、実は、細いる。現在、機能が失われた脳や脊髄の組織に神胞がどんなダイナミックな動きをしているのか、まだよ

経幹細胞などを移植して、組織を再生させる研究

く分かっていません。組織の中の細胞の振る舞いをが盛んに行われている。
「神経幹細胞などを移植つぶさに観察することで、興味深い現象がたくさん見するだけで、ある程度、機能が回復できる場合がつかり、新たな疑問が生まれてくるでしょう。そこかあります。しかし完全に機能を回復させるには、神ら神経回路形成の全体像が明らかになるはずです」

経回路を再構築することが必要です。私たちの研明日死ぬつもりで生き、永遠に生きるつもりで学ぶ――見学チームリーダーの信条である。
「大学院のときに出会った、マハトマ・ガンジーの言葉です。顕微鏡で神経回路を見ると、本当に美図3 DNERの発現

プルキンエ細胞DNER（膜タンパク質）しい。しかも、その美しさには意味がある。機能バーグマングリア

Notchを実現するため、無駄のない究極の形をしているはずです。私はその美しさのからくりを知りたいのです。
これまでいくつかの小さな発見をしましたが、プルキンエ細胞におけるDNERの発現（ピンク）と、それを取り囲むバーグマングリア（緑）。

決して目標にたどり着いたという感じはしません。
学問に終わりはなく、自分が研究できる時間はごく限られていますが、毎日一歩ずつでも目標に近づきたいという思いで研究を続けています」

明日死ぬつもりで生き、永遠に生きるつもりで学ぶ。
マハトマ・ガンジーのこの言葉を信条にして神経細胞の美しさのからくりを知るために日々研究を続けています。

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理研ニュース No. 295 January 2006

関連情報：
● 2005 年 6 月 20 日プレスリリース（ http://www.riken.jp/rworld/info/release/press/2005/050620/index.html）●「小脳ニューロン・グリアの細胞形態形成を制御する細胞間相互作用」『神経研究の進歩』Vol. 49 No. 1（2005）●「小脳顆粒細胞の移動」『蛋白質 核酸 酵素』Vol. 49 No. 3（2004）