透明な魚で探る脳のはたらき──視覚が行動へとつながる仕組み──
く准教授

ぼふみ

久保 郁

新分野創造センター システム神経科学研究室

京都大学理学部（竹市雅俊研究室）卒業、京都大学生命科学研究科 博士課程修了。博士（生命科学）。理化学研究所 基礎科学特別研究員、カリフォルニア大学サンフランシスコ校ポスドク、マックスプランク研究所神経科学ポスドク、プロジェクトリーダーを経て、2017年12月より、国立遺伝学研究所（遺伝研）准教授。2016年日本神経科学会奨励賞受賞。

外界の変化を知る上で、視覚は動物にとって重要な情報源である。受け取った視覚情報に応じて、動物は適切な行動パターンをとるのだ。例えば魚は、目に映る景色が前後に流れるように変化すると、流れの中で自分の位置を一定に保とうと前後に泳ぐ。動物自身が特に意識していないときでも、脳は視覚情報を処理して、適切な行動を引き起こしている。
視覚が行動を生むときの神経回路の仕組みを解明することは、動物の複雑な行動がどのような脳の働きで生み出されるのかを理解することへつながるだろう。新分野創造センターの久保郁准教授は、ゼブラフィッシュを実験動物として使用して、その解明に挑戦している。

視覚によって行動が決まるとは？という点です。魚が特定の行動をとるときに、視覚情報がその引ゼブラフィッシュは、成魚が 3〜5 センチメートルくらいの小さいいているのかを解明できれば、動物の複雑な行動を解き明かす魚です。稚魚は透明で、神経細胞の活動を観察するのに適して糸口となるでしょう。

き金になることが多いのですが、このときに、どのように脳が働います。「光遺伝学」や「カルシウムイメージング」といった、視覚が行動を決めている、といっても漠然としてわかりにくい最先端の実験技術も適用でき、生きている魚の脳を、神経細胞かもしれません。具体的な例で見てみましょう。魚が、流れのあ1 個ずつという細かなレベルで観察することも可能です。基本的

る水中に生息している場合、水流の中で自分の位置を一定に保な脳の構造は脊椎動物で共通しているので、脊椎動物の脳の働とうとして、視覚を利用するのです。例えば、見ている景色が前きを解明するには、ゼブラフィッシュはうってつけの動物モデルに流れていったら、自分が後ろに移動してしまったと判断し、前の1つといえるでしょう。に泳ぎ出します。反対に、景色が後ろに流れていったら U ターン

私はこの魚を用いて、視覚に関する研究を行っています。視覚をして泳ぎ出します。実験室では、水槽の外の景色として縞模様の研究といってもさまざまに探究が可能ですが、私が興味をもっの図柄をコンピューター画面に映し出したものを使いますが、こているのは、視覚情報にもとづいて、魚の行動パターンが決まるの縞模様を画面上で動かすと、水流がなくても魚が上記のように1行動することが知られています。魚が視覚を情報源として利用し、取る視覚情報を区別し、それを比較することにより、周囲や自分自分の位置を判断して行動が生み出される典型的な例です。

が回転しているのか、前後に進んでいるのかを識別しているとい

私は、魚のこのような行動を解析して、脳の仕組みを解き明うことです。例えば、右目の景色の流れの方向と、左目の景色かそうと考えています。の流れの方向を比べ、それが同じだったら前後に進んでいる、

実際の私の実験では、魚の「移動した・移動しない」を観察

左右で違ったら回転しているといった具合です。左目と右目が受するのに加えて、魚の眼球運動を観察することで、魚の行動のけ取る景色の流れの有無とその方向の情報のパターンが、神経指標としています。実は、景色が動いたと認知したときに、魚は細胞 1 つ 1 つによってデジタル情報として伝達され、最終的に総泳ぎ出すだけでなく、眼球も動くということが知られているのです。

合されることが推測されました。この仮説を 2014 年に論文発表

これには「視運動性眼球反応」という名称がついており、ヒトでしました。

も見られる反応です。景色が流れたことによって生じる像のブレ

この仮説の実証に関しては、現在研究を進めているところです。などを補正する働きがあるのだろうと考えられています。
視運動性眼球反応を実験の指標にすることには、もう1つ理由最先端の実験技術を駆使してきたがあります。景色は前後方向（並進）に動くだけとは限りません。
左右に回転する場合もあります。回転するときには、さほど魚は前述したような研究が可能になったのは、光遺伝学やカルシ体を動かしません。眼球を主に動かすのです。そこで、眼球の反ウムイメージングなどの最新技法の利用が可能になったからで応を観察すれば、並進と回転の両方の解析ができるのです。

す。光遺伝学の技術を用いると、細いレーザー光を脳に当てることによって、光の当たった神経細胞だけを活性化したり抑制したりできます。これにより、神経細胞の働きを生きた動物で調べることが可能になりました。私の研究では、前視蓋領域の役割を調べるときに、この光遺伝学を利用しました。
もう1つ重要な技術は、カルシウムイメージングです。カルシウ
ムイメージングも、生きた動物に対して用いることができる技術です。神経細胞が活性化されているときには、カルシウムイオンの濃度が高まることに着目し、カルシウムイオンの存在を蛍光の発光としてとらえて、今どの神経細胞が活性化されているかを知るのです。高解像度な顕微鏡を利用します。
カルシウムイメージングの実験はとても楽しいですよ。神経細胞がどう反応するか、細胞が光って直接教えてくれるので、実験をしながらもすぐに実感できるのです。魚がこういう視覚情報を見たときには、こういう神経細胞が活性化しているのかと結果がどの神経回路がどのように働いているのかダイレクトに伝わってきます。

縞柄の画像を動かして外界の景色が並進したり回転したりするのを魚に見せ、神経細胞の活動を観察した結果、景色の動きを魚の脳がどのように識別しているかについて、おもしろい仮説をたてることができました。まずは、その研究についてお話ししましょう。
動物の眼が受容する視覚情報は、眼の網膜によって感知された後、脳に伝えられます。脳の入り口では、網膜から伸びてきた何千もの神経細胞が束になっています。この束は、脳へ入ると分岐し、脳の各所に伝えられることがわかっています。
私はまず、外界の景色が流れたときに起こる視反応性眼球反応に、この網膜からの連絡を受ける分岐先の存在が必須であることを実証しました。特に、前視蓋領域と呼ばれる部位が重要であることを突き止めたのです。
そこで次に、この前視蓋領域に存在する神経細胞の１つ1つに前述の研究では、前視蓋領域の 3000 個もの神経細胞の活動ついて、いつどのように活性化されているか、そのタイミングををカルシウムイメージングで解析しました。大量の画像データを詳細に解析しました。神経細胞の活性化は顕微鏡画像から判断

人間が目視で読み取るのでは、時間がかかり不正確にもなるのするのですが、3000 個もの神経細胞の画像データを解析したで、コンピュータの画像解析プログラムを利用しました。それに結果わかったのは、まず、ゼブラフィッシュは左目と右目が受けより、画像から定量性のあるデータを抽出でき、より詳細で網羅2的な解析が可能になりました。もちろん、画像解析ソフトを使いこなすにはプログラミングによるデータ解析の初歩的なノウハウが必要になります。私自身も全くの初心者でしたが、これからの神経科学研究者には、こうしたノウハウが必要だと思います。
私の経験でいうと、大規模データの画像解析についての一連の解析を一度でも体験すると、実験を注意深くデザインするようになります。どのようにデザインすれば最終的に求めるデータの定量が行えるか、そのためには何に気をつけて撮像すればよいのか、というように、実験を最初からしっかりと考えるようになるのです。
神経科学の分野では、顕微鏡を用いて大規模に神経活動を計測・定量する研究が、今後も重要になると思います。データ解析に親しんでおくことは、自分の強い武器になるのではないでしょしかし、そろそろ独立して自分の研究室を持ちたいという気持うか。

ちも芽生えてきており、2018 年に日本に戻ってきました。そして、遺伝研の新分野創造センターのプログラムで採用していただき、海外でのポスドク時代に最先端技術を体験した自分のラボをたちあげることができました。とてもうれしく思って私自身は幸運にも、アメリカとドイツで過ごした約 8 年間のあがとても充実しているので、一からラボを立ち上げる若手にとっいだに、最先端の実験技術や画像解析について、実践を通しててはとてもありがたいのです。特に私のように、高度な顕微鏡がトレーニングすることができました。

必要なカルシウムイメージングを利用する研究者にとっては。

います。このプログラムは、スタートアップの補助金やサポート

日本の大学・大学院では、もともと発生学を学んでいました。

また、遺伝研のある三島市は、町もきれいで保育園がしっかニワトリの眼の発生について、分子生物学の分野から研究していりと整備されており、子育てしやすいと感じています。私には保たのですが、大学院を終え、ポスドクとして海外での研修を積み育園に通う子どもがいるのですが、ドイツでは多くの保育園は土たいと考えていたときに、神経科学の分野に転向することにしま

日が完全に休みで、時間外の延長保育がありませんでした。夏した。当時は、神経科学の研究手法として、光遺伝学が世の中休みや冬休みはそれぞれ 3 週間ほどあり、子どもとふれあう時間に登場した頃で、この技術を使えば、すごい研究や発見が可能が確保できるのはよいのですが、研究で成果を出さなくてはいけになるのではないかと、多くの研究者が期待を寄せるようになっないといったタイミングのときには、困ったのを覚えています。日た時期だったと思います。

本ではまた、いざというときに祖父母の育児のサポートも受けらいろいろ調べた結果、ゼブラフィッシュで光遺伝学を用いた先れるので、その点でも安心しています。

駆け的な研究論文を発表していたカリフォルニア大学サンフランシスコ校（UCSF）のHerwig Baier教授の研究室で研究したいこれからの研究と考えました。何回かの面接、フェローシップ（奨学金）への申請などがあり、実際に渡米までに１年ほどの期間を要しました。

遺伝学研究所に着任してから、ゼブラフィッシュの飼育設備、その間は、不安やフラストレーションもありました。けれども、カルシウムイメージングの実験設備などの実験環境を整えてきま

最終的に Baier 教授の研究室でポスドクとなることができてからした。二光子顕微鏡も設置し、行動を撮影するカメラ、レーザーは充実した毎日で、研究に没頭しました。新しい技術に挑戦でき、光を当てる装置、魚に縞模様を見せる装置などもセッティングで結果も出て、楽しくてしかたなかったことを覚えています。

き、今は、いよいよ研究に本腰を入れる段階です。

アメリカで2010年から約2年間過ごした後、Baier教授がドイ

現在、継続して取り組んでいる研究の1つは、2014年に論文ツのマックスプランク研究所に異動したため、私もついていきま発表した、視反応性眼球反応において景色の流れを識別する脳した。UCSF でもマックスプランク研究所でも、Baier教授は私の仕組みに関する仮説の実証研究です。カルシウムイメージングに自由に研究させてくれていたので、研究のデザインや解析など法で神経細胞の活動を細かく観察したのですが、その際に、電は、もう 1 人の共同研究者（Aristides Arrenberg 博士、現在、子顕微鏡画像の撮影も行いました。電子顕微鏡画像の画像解析

ドイツ・チュービンゲン大学ジュニアプロフェッサー）と議論をを行うと、各神経細胞の形や相互の接続関係がわかるようにな闘わせながら決めていきました。

り、神経細胞が形成する回路について、より詳細にわかるようにドイツに移ったのが2012年。最初の論文は2014年に発表でなるからです。電子顕微鏡画像はデータ量が大きいので画像解きました。2015年には、Baier研究室でプロジェクト・リーダー

析には時間がかかります。あと 1〜2 年要すると思いますが、結という半独立ポジションにもつくことができ研究生活は充実して果が大変楽しみです。

いました。

また今後は、これまでの方法論を応用して、より複雑な行動の解析も進めたいと考えています。その 1 つは、魚の左利き、右3聞 き 手：サイエンスライター 藤川 良子
写 真 撮 影：リサーチ・アドミニストレーター室

利きの研究です。例えば、大多数の魚は、何か興味深いものがあると左目を近づけてよく見ようとします。ヒトは右利きが多いですが、ゼブラフィッシュでは、どちらかというと左利きが多いよう

来栖 光彦

2019 年 1 月です。この左利き、右利きと脳の活動の関係を調べたいと思っています。

研究を志す人へのメッセージ
海外の大学や研究機関で、学生さんを指導することがありました。そのときに感じたのは、日本の学生さんには自分に自信がない人が多いのではないかということです。実は私もそうでした。
でも、海外に行ってみると、学生さんたちは違っていました。例
えば、新しい技術を取り入れようとしたときなど、「できます」と答えてくる。そして、自分でも積極的に開拓していこうとするのです。特に驚いたのは、ある学生さんが、最初は私が教えた通りに作業していたのですが、ある日、私が教えた以上のことを工夫してやってきたことです。
「自分はできないかもしれない」と思ってやらないよりは、「できるかできないかはともかく、やってみよう」という態度が、チャンスを広げるのだろうと思います。そしてそのときに、最後までやり遂げられるかどうかは、その事が本当に好きかどうかに関わってくるでしょう。おもしろければ、いくらでも努力を続けられるでしょうから。ですから、研究室には好奇心にあふれ、研究をおもしろいと思える学生さんに来てほしいと思っています。
ゼブラフィッシュを用いた研究において私がこれまでに開発してきた解析手法は、動物の行動の研究にさまざまに応用可能です。将来的に、学習や意思決定などのより複雑な行動の解明にもつなげられる可能性があると思います。どうぞ学生のみなさんは、新しいアイデアで研究を発展させてください。研究は楽しいですよ。

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