第1編
手法編
第 20 講第1編

手法編

顕微鏡―脳のミクロ構造を見る

有史以来，脳のメカニズムを解明すべく，さまざまな実験が試みられ，膨大な知見が蓄積されてきた。言うまでもなく，脳科学は，各時代の最先端の工学と技術に支えられてきた。新たな実験手法が開発されるたびに，それまでの常識を覆す新事実が発見される。そのような脳研究の歴史は，実験手法の開発の歴史と言っても過言ではない。
脳科学では，さまざまな実験手法が用いられるが，各手法は，「見る」，「壊す」，「測る」，「刺激する」ための技術に分類できると筆者は考えている。脳研究の基本は，「見る」ことで，脳の構造を明らかにすることである。脳や生物の特徴として，機能と構造が密接に関わっている（第 1 講）。したがって，脳のある構造で実現される「機能」（役割）を明らかにするためには，まず，その部分を「壊す」とよい。特に初期の脳科学の進歩は，怪我や脳卒中により，脳を部分的に損傷した患者の症状が，臨床的な知見として蓄積され，脳の構造と関連付けられたことによる。脳の各部位の機能がわかれば，その計算原理に迫りたくなる。そのために，脳の各部位で，どのような信号や情報が流れているかを「測る」。さらに，「刺激する」ことで，信号や情報の流れを人為的に制御できれば，因果的に計算原理を検証できる。また，そのような手法は，医療的にも産業的にも，脳を適切に制御・介入操作する技術の開発につながるだろう（第 6 講コラム）。
本講では，脳を「見る」技術として，顕微鏡を中心に紹介したい。

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拡大して脳を見る
肉眼での観察脳科学での最も原始的な研究手法は，言うまでもなく，肉眼による観察である。
大昔から肉眼による観察は，脳の動作メカニズムについて，さまざまな仮説を導いてきた。たとえば，古代ギリシアの医師ヒポクラテス（BC460〜BC375）や哲学者ソクラテス（BC470〜BC399）は，感覚，思考，意識などは大脳で生じると唱えている。一方，アリストテレス（BC384〜BC322）は，大脳皮質のシワは放熱用のラジエータであり，意識は心臓に宿ると考えた。今となっては滑稽な推論であるが，構造から機能を推察する眼力は鋭い。
肉眼観察による脳科学は，ルネサンス期（14〜16 世紀）に集大成を迎える（図20.1）。 特 に，1543 年， ベ ル ギ ー の 解 剖 学 者 の ヴ ェ サ リ ウ ス（AndreasVesalius；1514〜1564）は，「人体構造論」を記し，脳の詳細構造を記録している。
これが，近代解剖学の体系を樹立したとされている。また，レオナルド・ダ・ヴ
ィンチ（Leonardo da Vinci；1452〜1519）も，当時の解剖学を学び，数百枚の人体構造の詳細なスケッチを残している。彼の芸術作品は，これらの綿密な観察に支えられている。

図 20.1 レ オナルド・ダ・ヴィンチのスケッチ（左）とヴェサリウスのスケッチ（右）（Wikipedia より転載）

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第1編

手法編

なお，わが国では 1774 年，杉田玄白（1733〜1817）がドイツの医学書を「解体新書」として翻訳した。これにより，ルネサンス時代のヨーロッパの解剖学が，ようやくわが国に輸入されることになる。また，このときの翻訳で，神経，軟骨，動脈などの用語が作られた。

光学顕微鏡の発明
脳科学・生物学分野の最初のイノベーションの一つは，19 世紀初頭に発明された光学顕微鏡である。この時代は，顕微鏡で観察したものすべてが大発見だった。これらの観察に基づいて，1838 年には，細胞はすべての生物の構造・機能の単位であり，生物体の一次要素であるという細胞説が，シュワン（TheodorSchwann；1810〜1882）により唱えられた。このころの顕微鏡観察により，小脳のプルキンエ細胞や，脊髄の運動ニューロンのダイテルス細胞，末梢神経を髄鞘化するシュワン細胞など，現在の脳科学の教科書でお馴染みの神経細胞が発見されている。このころ発見された細胞には，発見者への敬意を表して，その名前が付けられている。

細胞染色技術の開発
さらなるイノベーションが，ゴルジ（Camillo Golgi；1843〜1926）やカハール（Santiago Ramón y Cajal；1852〜1934）が開発した細胞染色技術である。特に「ゴルジ染色」は，細胞を固定した後，二クロム酸カリウムと硝酸銀に浸し，クロム酸銀で細胞内を満たす。これにより，細胞の形態を詳細に観察できるようになった。彼らのスケッチは，現在の脳科学の教科書にもしばしば登場するほど精緻である（図 20.2）。
光学顕微鏡による脳研究は，1909 年のブロードマンの脳地図に集大成を迎える（図 20.3）。 この地図では， ブロードマン（Korbinian Brodmann；1868〜1918）が，各部位の脳組織構造を丹念に調べ（図 20.7（a）を参照），その構造の特徴に基づいて大脳皮質を 52 個の領域に分割している。この地図は，現在でも脳内位置を示す共通の「番地（住所）」として使われている。たとえば，標準的な脳には，ブロードマン脳地図の 17 野（Brodmann Area；BA17）に一次視覚野，41 野（BA41）に一次聴覚野がある。

ニューロン説と網状説の論争
1891 年，ワルデイエル（Heinrich G. Waldeyer Hartz；1836〜1921）により
3図 20.2

カ ハ ー ル に よ る プ ル キ ン エ 細 胞 の ス ケ ッ チ（Wikipedia より転載）「ニューロン（神経細胞）」が定義された。それによると，ニューロンとは，細胞体とそこから伸びる樹状突起と軸索からなる神経系の構造的・機能的単位である（図 20.4）。細胞体と樹状突起は他のニューロンから信号を受け取り，軸索がそのニューロン内で生じたインパルス状の信号を終末部，すなわち，次のニューロンとの接触部に伝える。その後，カハールは，顕微鏡の観察に基づいて，「ニューロン説」を提唱した。この説では，脳をはじめとするすべての神経系は，神経細胞という独立した単位から構築され，それらの相互の結合によって機能している。さらに，1897 年には，シェリントン卿（Sir Charles S. Sherrington；1857〜1952）が，ニューロン同士は繋がっているのではなく，ただ接触しているだけだと提案し，その接触部をシナプスと呼んだ。
一方，ゴルジは「網状説」を唱えた。網状説では，神経細胞同士は原形質を介して繋がっており，神経系は複雑な網状構造をしており，全体として機能する。
ニューロン説と網状説の論争に対して，当時の研究では決着がつけられなかった。1906 年には，神経系の構造に関わる研究の功績で，カハールとゴルジはノーベル生理学・医学賞を同時に受賞した。しかし，二人は犬猿の仲だったらしく，受賞講演でも互いに反対の立場で脳のメカニズムを論じた。
4第1編

手法編

側面

断面

図 20.3

ブロードマンの脳地図（Wikipedia より転載）

シナプス前細胞

シナプス後細胞細胞体

軸索
（出力部）
信号の流れ
（活動電位のシナプス伝播）
樹状突起（入力部）
図 20.4神経細胞（第 4 講 図 4.2 を再掲）

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シナプス前ニューロン
（送り手）

シナプス
シナプス後ニューロン（受け手）
250 nm
図 20.5シナプスの電子顕微鏡写真（文献 1）より転載）

電子顕微鏡の発明
ニューロン説が正しかったという決定的な証拠は，20 世紀半ばに発明された電子顕微鏡による。シナプスの電子顕微鏡像は，軸索終末部と次の神経細胞との間には約 200 Å（10−10 m）の細隙があることを明確に示した（図 20.51））。言うまでもなく，電子顕微鏡は，脳科学・生物学にイノベーションをもたらした。
ところで，シナプスには，化学シナプスだけでなく，電気シナプスと呼ばれるものもある。電気シナプスでは，イオンチャネルが細胞膜を貫き，二つの神経細胞を結合している（図 20.6）。電気シナプスにより，非常に速い細胞間の信号伝達が可能になる。したがって，ゴルジの網状説も完全な誤りだったわけではない。

神経回路図
染色された組織を顕微鏡下で観察しながら，丹念に軸索を追えば，脳の各領域の結合関係を明らかにできる。また，シナプスを超えて運搬される物質（トレーサ）を利用することでも，各領域間の結合関係を調べられる。これらの手法により，さまざまな神経回路図（配線図）が作られた。
図 20.7（a）は，ブロードマンによるヒトの大脳皮質の染色像のスケッチである。
細胞の形態や神経線維の特徴を捉えるために，3 種類の染色方法が用いられている。このようなスケッチから，大脳皮質には層構造があることがわかる。また，
1）K. Heupel et al.（2008）. Neural Dev 3:Art# 25.

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