研究最前線「脳はコンピュータよりもはるかに少ないエネルギーで学習や認知など高度な情報処理を行うことができます。
それは、神経細胞同士をつなぐシナプスの情報伝達効率（シナプス強度）を巧みに調節することで実現されています」
そう語る合田裕紀子チームリーダー（TL）たちは、シナプス強度を調節する複雑な仕組みの解明に挑んでいる。

脳の情報処理を実現するシナプス強度の調節機構を探る手である別の神経細胞の樹状突起にあるシナプス後部の受容体が、その神経伝達物質を受け取ることで情報が伝わる（図 3）。
脳が新しいことを学習するとき、特定のシナプスの情報伝達効率（シナプ■ シナプスには個性がある

ら同時にたくさんの信号を受け取ると、ス強度）が高くなったり低くなったりしヒトの脳には、電気信号を発する神経自らも電気信号を発して（発火）、軸索て、神経回路における信号の流れ方が細胞が 1000 億個ほどあり、ほかの神経からほかの神経細胞へ情報を伝える。

変わる。

細胞とつながり合って複雑な神経回路を神経細胞同士のつなぎ目はシナプスと「神経細胞が発火すると、シナプス前つくっている。その神経回路の中を信号呼ばれ、そこには 10 万分の 1mm ほどの部から必ず神経伝達物質が放出されてが駆け巡ることで、さまざまな情報処理隙間（シナプス間隙）がある。情報を送シナプス後部に伝達されるわけではなが行われている。

かんげき

り出す側はシナプス前部、受け取る側はく、その確率は平均 30％ほどです。そ神経細胞には、ほかの神経細胞からシナプス後部と呼ばれる。神経細胞がの確率が 30％から 40％に上がったり、情報を受け取るたくさんの樹状突起と、発火して電気信号が軸索を伝わってくる20％に下がったりします。シナプス強度

情報を送り出す 1 本の軸索がある（図1・と、シナプス前部から神経伝達物質がシは、シナプス前部から神経伝達物質が図 2）。神経細胞は、ほかの神経細胞かナプス間隙へ放出される。情報の受け放出される確率や量、それを受け取るシナプス後部の受容体の数などで決まります。そのシナプス強度が細かく調節されることで新しいことが学習され、記憶されます」と合田 TL は解説する。
コンピュータは、情報を伝えるか伝えないかという0 と1 のデジタル方式で情報処理を行っている。
「一方、脳はシナプス強度を細かく調節するアナログ方式により、コンピュータよりもはるかに少ないエネルギーで、高度な情報処理を実現しています。脳に 1000 億個以上ある神経細胞には、それぞれ数万個のシナプスがあります。従来、それらシナプスの平均的な特徴を調べる研究が進められてきました。ただし、それぞれのシナプスは巧妙に制御され 1 個ずつに違

図 1 海馬の神経細胞1個の神経細胞（黄）の樹状突起の間を縫うように、ほかの神経細胞の軸索（青）が走り、その接点でシナプス（青白い点）をつくっている。

06 R I KE N NE WS 2017 Ju ly

いがあります。そのシナプスの個性が脳の情報処理にどのように関係しているのか、私はそれを知りたいのです」

撮影：STUDIO CAC

合田裕紀子（ごうだ・ゆきこ）

脳科学総合研究センター
シナプス可塑性・回路制御研究チーム
チームリーダー1962年、兵庫県生まれ。理学博士。米国

スタンフォード大学生化学科大学院博士課程修了。米国ソーク研究所博士研究員、米国カリフォルニア大学サンディエゴ校
理学部助教授、英国MRC細胞生物学ユニット（ロンドン大学）シニアグループリーダーを経て、2011年より現職。

■ 1 本の軸索上でも、シナプス強度は異なるた小胞が集まり、シナプス間隙に接する（小胞）が出入りするという仕組みです。

細胞膜の内側で待機している。神経細それにより、必要な数の小胞がシナプス

高校の生物の教科書などには、1 本の胞が発火して電気信号が軸索を伝わっに補充され、近隣のシナプスと小胞を奪軸索がいくつかに枝分かれした木のよてくると、小胞は細胞膜に融合して、神い合うようなことは起きません。この仕うに描かれ、その末端にシナプスがつく経伝達物質をシナプス間隙に放出する。

組みにより、1 本の軸索上でもシナプスられている図が掲載されている。

これを開口放出と呼ぶ。開口放出した強度が異なるといったことが実現されて「筋肉に指令を伝える運動神経細胞小胞はリサイクルされ、再び神経伝達います」（図 4）は、確かにその図のとおりです。ただし、物質が詰められて待機状態となる。

記憶に重要な海馬という脳部位にある神「かつて、小胞は軸索に並ぶシナプス

経細胞の多くは、軸索の末端だけでなくごとにリサイクルされており、シナプス恒常性を保つ

途中にもたくさんのシナプス前部が存在間でやりとりされることはないと考えら

軸索と同じように樹状突起も、枝の末し、シナプスがつくられています（図 2）。

れていました。しかしそれでは、開口放端だけでなく途中に複数のシナプス後部■ シナプス後部が前部を制御して軸索は、多数の神経細胞の樹状突起の出の確率が高いシナプスでは小胞が足が存在し、シナプスがつくられている。

間を縫うように走り、接点でたくさんのりなくなる恐れがあります」

同じ軸索上のシナプスでは、それぞれのシナプスをつくっているのです（図1）。

合田 TL は 2006 年、シナプス間でのシナプス強度が異なっていた。樹状突

そして、同じ 1 本の軸索上でも、それぞ小胞共有の仕組みがあることを実験で起の同じ枝にあるシナプスも、シナプスれのシナプス強度は異なります」

突き止めた。
「東京でいえば山手線に似強度が異なっていていいはずだ。ところシナプスの仕組みを、もう少し詳しくた仕組みです」と合田 TL。
「常に一定のが、同じ枝の近い領域にあるシナプスで見てみよう（図 3）。軸索にあるシナプス数の人（小胞）を乗せた電車が双方向には強度が類似していることを合田 TL た

前部には、神経伝達物質が詰め込まれ走っていて、駅（シナプス）に着くと人ちは発見した。

シナプス小胞細胞体

シナプス核号

軸索

電気信リサイクル

軸索待機状態

シナプス前部

樹状突起

開口放出

シナプス間隙接着分子（カドヘリン）

図 2 神経細胞の模式図
海馬の神経細胞の多くは、軸索の末端だけでなく途中にもたくさんのシナプスをつくる。

シナプス後部

図 3 シナプス断面の模式図
シナプス前部から神経伝達物質が放出され、シナプス後部の受容体が受け取ることで信号が伝わる。シナプス前部では、神経伝達物質が詰まったシナプス小胞が待機している。神経細胞が発火して電気信号が軸索へ伝わると、待機していた小胞は細胞膜に融合して、神経伝達物質をシナプス間隙に放出する（開口放出）。開口放出した小胞はリサイクルされて、再び神経伝達物質が詰められて待機状態となる。

受容体

神経伝達物質

樹状突起

R I K E N N E W S 2 0 1 7 J u l y 07

研

究

最前線

「シナプス前部の開口放出の確率を調すことで、シナプス前部の開口放出を制合田 TL たちは 2016 年、アストロサイ

べると、樹状突起の同じ枝の近い領域に御することが報告されています。さらにトにシナプス強度の差を拡大・維持するあるシナプスは、同じ枝でも離れた領域

私たちは、カドヘリンという細胞接着分機能があることを突き止めた。ヒトの脳やほかの枝にあるシナプスと比べ、どれ子が開口放出の制御に関与していることには、神経細胞の 10 倍もの数のグリアも近い確率を示します。樹状突起の枝にを 2012 年に実験で確かめました」

細胞があるともいわれ、神経細胞の働きあるシナプス後部が、『隣のシナプスとシナプス前部と後部からそれぞれカ同じくらいの強さの信号を下さい』と軸ドヘリンがシナプス間隙に突き出て結合索のシナプス前部に要求を出して、開口している。
「実験でシナプス後部から突合田 TL たちは、図 5 のような海馬の放出の確率を制御していると考えられまき出ているカドヘリンを阻害すると、前培養細胞系を使って実験を行った。神す。そこでは、特定のシナプスの強度が部の開口放出の確率が低くなりました。

経細胞が三つあり、細胞 1と細胞 2 はシ高過ぎたり低過ぎたりしないように、一現在、その仕組みの解明を進めている

ナプス A で、細胞 3と細胞 2 がシナプス定の範囲内に強度を収める仕組み、恒ところです。シナプス後部は前部を複B でつながっている。ただし、細胞 1と数の手法で制御しています。なぜ複数細胞 3 はつながっていない。

常性を保つ仕組みが働いています」

を支えている。アストロサイトはグリア細胞の一種だ。

なぜ、恒常性を保つ仕組みが必要なの手法が必要で、どのように使い分け細胞 1を刺激して何度も発火させて、のか。
「シナプス強度が一定の範囲を超ているのか、それも解明すべき謎です」

シナプス A の強度を変化させた。すると

えて高過ぎる、あるいは低過ぎるシナプ
スがあると、そのシナプス強度を変更し驚くべきことに、刺激していないシナプ■ アストロサイトがス B の強度も変化した。シナプス A が強て新しいことを学習することが難しくな

シナプス強度の差を拡大・維持

いほどシナプス B の強度は下がり、逆にると考えられます。また、恒常性の仕組恒常性を保つ仕組みは、全てのシナ

シナプス A が弱いと、シナプス B の強度みが働かないと、神経回路の稼働のバプス強度を一定の範囲内にして、強度のが上がった。二つのシナプス強度が連ランスが崩れて、神経細胞が過剰に発差が小さくなる方向に働く。ただし、全動し差が拡大する傾向が見られたのだ。

火するてんかんの症状や、統合失調症てのシナプス強度に差がまったくなく

ただし、シナプス A とB の周囲にあるなど精神疾患を引き起こすと考えられてなってしまったら、新しいことを学習しアストロサイトの働きを阻害すると、シいます」

たり記憶したりすることができなくなっナプス A の強度を変化させてもシナプス

では、どのような手法でシナプス後部てしまう。学習によって一定の範囲内で「アストロB の強度は変化しなくなった。

は前部に要求を出すのか。
「シナプス後シナプス間の強度差を拡大して、その状サイトの働きを阻害すると、10 分ほどで部からタンパク質や一酸化窒素ガスを出態を維持する仕組みも必要だ。

徐々に周囲にあるシナプス前部の開口放出の確率の差が小さくなりました。アス
トロサイトはシナプス前部を制御してシ

図 4 軸索におけるシナプス小胞の供給システム
軸索中をシナプス小胞が行き来して、それぞれのシナプス前部に小胞が補充され、またシナプス前部から軸索へ小胞が移動する。この仕組みにより、1本の軸索上で異なるシナプス強度が実現されている。

シナプス前部

シナプス小胞08 R I KE N NE WS 2017 Ju ly

アストロサイトは、それぞれのシナプスの強度を比較して、その差を拡大・維軸索受容体ナプス強度の差を調節しているのです」

シナプス後部持しているのだろうか。
「それは現実的ではありません。1 個のアストロサイトの表面積は広く、ラットでは約 9 万個、ヒトでは 200 万個以上のシナプスを覆っ図 5 シナプス強度の差を調べた海馬の培養細胞系

刺激

細胞1

入力あり入力なし（シナプスA） （シナプスB）

細胞3

記録

細胞2

関連情報

2016年4月26日プレスリリース
シナプス強度の調節機構を発見

細胞 1を刺激してシナプス Aの強度を変化させると、シナプス A の強度が高いほどシナプス B の強度は下がり、シナプス A の強度が弱いとシナプス B の強度は上がった。ただし、シナプス A とB の周囲にあるアストロサイトを阻害すると、シナプス Aの強度を変化させてもシナプス B の強度は変化しなくなった。

アストロサイト

うに変化するのか、動物実験で調べてみたいと考えています」
アストロサイトには、神経細胞にエネルギーを供給したり、神経細胞を構造的に支持したりする役割があることが知ら

図 6 アストロサイトがシナプス強度の差を拡大・維持する仕組み（仮説）
普通はアストロサイトがシナプス前部の開口放出を抑制している（左）。シナプス前部からたくさんのグルタミン酸が放出されると、それをアストロサイトの NMDA 受容体も受け取り、抑制を解除する。するとシナプス前部の開口放出の確率がさらに高くなる。ほかのシナプスではアストロサイトによるブレーキが利いたままなので、シナプス強度の差が拡大・維持される。そのような仮説を合田 TL は立てている。

れていた。
「そのような神経細胞をサポートする役割のほかに、さまざまなケースでアストロサイトがシナプス強度を調節していることを多くの研究者が認めるよ

シナプス前部うになったのは、最近 5 年ほどのことで抑制アストロサイト

グルタミン酸（神経伝達物質）抑制解除

す。いつ、どのような手法でアストロサ
イトはシナプス強度を調節しているのNMDA 受容体か、その解明はこれからです」

シナプス後部■ 1,000 種類以上のタンパク質が関わる複雑なシステムていると考えられています。そのようなるNMDA 受容体があり、その働きを阻「シナプスの仕組みには、ほかにも多膨大な数のシナプスの強度をそれぞれ害するとシナプス強度の差が小さくなるくの謎が残されています」と合田 TL。

比較することは不可能でしょう」

ことを私たちは実験で確かめています」「シナプス前部の開口放出の確率が高くでは、どのような仕組みが働いているほかの神経細胞からほぼ同時にシナなると、それに比例してシナプス後部ののか。
「それはまだ謎です。1 個の神経細プス伝達があると、樹状突起ではシナプ受容体の数が増えます。その仕組みも胞が受け取る信号強度の総和が一定にス強度の統合が起こり、発火するかどう謎です。それを解明する研究も進めてなるように、あるシナプスが強くなったかが決まる。しかし、特定のシナプスがいます」

ら、ほかのシナプスは弱くなるように働く

刺激され続け強度が上がり過ぎたり、逆ここでその一端を紹介したように、シ仕組みがあるのかもしれません。私は別に、シナプス間の強度差が小さくなり過ナプスの仕組みは実に複雑だ。
「シナプの仕組みも働いている可能性があると考ぎたりすると、シナプス強度の統合など

スでは 1,000 種類以上のタンパク質が働えています。海馬のアストロサイトは普に支障を来し、神経回路に不具合が起いています。精神疾患の原因解明が難通、シナプス前部の開口放出を抑制する

きて精神疾患の発症につながると考えらしいのは、シナプスをはじめ脳が非常にブレーキの働きをしています。シナプスれている。そこにアストロサイトが関与複雑なシステムだからです。私は脳の高前部からグルタミン酸がたくさん放出さしている可能性がある。

度な情報処理を実現しているシナプスれる強度の高いシナプスでは、そこだけ「動物実験により、発生の過程におい強度の調整機構に興味を持ち研究を進

アストロサイトのブレーキが解除され、てアストロサイトの働きを阻害すると、めていますが、その複雑なシステムを解シナプス強度がさらに高くなり、ブレー正常な脳の発育を阻害してしまうことが明することにより、脳型の人工知能の発キが働いているほかのシナプスとの強度報告されています。発育後、大人の脳展や、精神疾患の原因解明、診断・治の差が拡大するのかもしれません（図 6）。の海馬のある部位のアストロサイトの働療にも貢献できるはずです」

アストロサイトにもグルタミン酸を受け取きを阻害すると、行動や脳機能がどのよ（取材・執筆：立山 晃／フォトンクリエイト）

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