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田中・他：オプトジェネティクスと精神医学

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精神疾患の解明に貢献する脳科学技術の進歩

オプトジェネティクスと精神医学
田中謙二，高田則雄，三村將

2002 年に生物物理学者によって古細菌に存在する光感受性タンパク質，チャネルロドプシンが発見された．そのユニークな特徴に目をつけた精神科医がチャネルロドプシンの遺伝子導入と光照射を組み合わせて神経細胞の発火を操作する手法を開発した．発見から約 10 年経過した現在，オプトジェネティクスという造語が定着し，オプトジェネティクスは神経科学研究のパラダイムシフトを起こした．本稿ではオプトジェネティクス入門としてこの技法の原理について詳しく述べる．最後に脳機能画像とオプトジェネティクスを組み合わせた筆者らの取り組みを紹介する．
＜索引用語：オプトジェネティクス，相関関係，因果関係，光，電気刺激＞は じ め にオプトジェネティクス（optogenetics）はスタ

私達の網膜で行われている光の受容もそのしかけの 1 つである．

ンフォード大学の精神科医 Karl Deisseroth らに網膜の桿体視細胞がもつ光感受性タンパク質がよって作られた造語である ．Opto は光を表す接ロドプシン（rhodopsin）である．私達ほ乳類はロ頭語，genetics は遺伝学であるので optogenetics

ドプシンをはじめ，5 種類のオプシン（opsin）をを日本語に訳すと光遺伝学となる．しかしこの日もつ．一方で，細菌には数百種類のオプシンが報本語訳からその意味をうかがい知るのは困難であ

告されており，総称してバクテリア型ロドプシン

ろう．と呼ばれる．ロドプシンは光受容後の分子構造の4）オプトジェネティクスは光感受性タンパク質を変化と機能変化の連関解明に興味をもつ研究者，使用し，それに光を照射することによって細胞のすなわち生物物理学の研究者によって 1970 年ご機能を操作する手法そのものである．この手法がろからよく研究されてきた．2002 年にフンボルト

神経科学研究のパラダイムシフトを起こした．今大学の Peter Hegemann（長年ロドプシン業界ででは毎週のようにハイインパクトな雑誌に opto-生きてきた生物物理学のトップランナーである）

genetics を用いた研究結果が掲載されている．こが光を受容し Na を通す新しいタイプの分子を発のような情勢から精神医学研究への応用，展開が見し，それをチャネルロドプシン（channelrho-期待されている．まずは光感受性タンパク質につdopsin：ChR）と名付けた7）．ここまでは単にロドいて説明したい．

プシン業界の話である．
これを神経科学に応用したのがスタンフォード

Ⅰ．光感受性タンパク質

大 学 の Karl Deisseroth で あ る1）． 彼 は ス タ ン

地球に住む生物は，光子を受容し，それを化学

フォード大学で MD. PhD を取得した後，精神科シグナルに変換するしかけを上手に利用していでレジデントを修了した精神科医でもある．彼はる．植物の光合成はそのしかけの 1 つであるし，培養神経細胞に ChR を発現させておき，光照射を著者所属：慶應義塾大学医学部精神神経科学教室情動の制御と治療学研究寄附講座

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加えると神経細胞から活動電位が得られることをのは ChR ではなく，神経細胞がもつ電位依存性報告した．光で神経細胞の興奮を操作した初めてNa チャネルである．の例である．神経細胞の興奮，発火を恣意的に行

それでは電位依存性 Na チャネルをもたない細わせるには，電気刺激，高濃度カリウム溶液の添胞に ChR を発現させ，光を照射するとどうなるの加，グルタミン酸の添加などの手法があるので，であろうか？

それ自体は新しくない．この手法のすばらしいとンが流入し電流が流れる．膜電位が数ミリ V から

ころは，ChR を発現している細胞だけに発火を導数十ミリ V 脱分極側へ変化するが光の照射をやくことができる点であり，ChR を発現していないめるとまた元の膜電位に戻る．すなわち活動電位細胞にはまったく影響を与えないという従来の方は発生しない．グリア細胞や血管内皮などには電法にないものであった．

位依存性 Na チャネルが存在しないので，これら光照射後，ChR を通じて Na イオ

ChR の神経科学への応用に成功したため，これに ChR を発現させて光を照射しても発火するこまで神経科学への応用が考えられていなかった他とは決してない．ChR を用いたオプトジェネティのオプシンタンパク，たとえば光を受容してクロクスは，電位依存性 Na チャネルをもつ神経細胞ライドイオンを通すタンパク〔ハロロドプシンに適応される手法であるとひとまず考えていただ（halorhodopsin） 〕や光を受容して水素イオンをきたい．

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通すタンパク〔アーキロドプシン（archaerhodop2）sin）〕も「使える」分子であることがわかってきⅢ．オプトジェネティクスがもたらしたた．

神経科学研究のパラダイムシフト
オプトジェネティクスは神経科学研究を相関研
Ⅱ．オプトジェネティクスは神経細胞の究から因果研究へパラダイムシフトさせることに発火を操作する技術大きく貢献している．具体的にどういうことだろ

ChR を用いた操作の限界を知るために，ChR にうか．

よる発火の原理を理解していただきたい．細胞はヒトを用いた神経科学・精神医学の二大研究はNa K ATPase によって細胞内の Na が外にくみ出ゲノムとイメージングである．あるゲノムの SNPされ，細胞外から K を内に取り込んでいる．これやコピー数が発症や治療反応性に関連があるといにより細胞内 Na 濃度が低く，細胞外 K 濃度が高う報告がある．これは遺伝子と表現型を結ぶ相関くなっている．そして，静止膜電位はマイナスに研究である．遺伝子変化が原因なのか，結果なの保持されている．神経細胞には電位依存性の Naかを知る研究，すなわち因果研究に展開させるにチャネルが存在するので，静止膜電位が電位依存は，その遺伝子変化を人為的に模倣して，表現型性 Na チャネルの閾値を超えるとチャネルが開口がどうなるか調べる以外にない．一般にはマウス

し，細胞外から細胞内へ Na イオンが流れ込む．などのモデル動物を用いて，たとえばある遺伝子これが活動電位そのものである．閾値を超える刺のノックアウトや過剰発現を行い，それがどのよ激が神経細胞に入れば活動電位が生じるし，刺激うな結果をもたらすか調べるわけである．遺伝子が閾値を超えなければ発火しない．の操作はモデル動物を使って初めて可能になる

ChR が発現した神経細胞に光を照射することが，これをヒトで行うことはできない．言い換えを考えてみよう．ChR の発現そのものは静止膜電ると，実験動物を使えば遺伝子と表現型の因果を位に影響を与えない．普段は ChR が閉じているか問えるが，ヒトをサンプルとしてその因果を知るらである．この細胞に光を照射すると ChR が開口ことはできない．

し，Na イオンが流れ込み，瞬時に発火閾値を超

それではイメージング研究はどうであろうか．

え，活動電位が発生する．活動電位を発生させる

functioal MRI（fMRI）なり PET なりの脳機能イ特集田中・他：オプトジェネティクスと精神医学

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メージングは私たち人間の行動と脳局所の活動にえるという実験課題を行う．餌場に頭を突っ込ん

どのような相関関係があるか情報を与えてくれだ状態を維持して待っていれば餌を与えるが，我る．サルやネズミなどのモデル動物を使えば，脳慢できなくなって餌場から頭を外すと餌を与えな領域からさらに踏み込んで，領域を構成する特定いという条件をさらに加える．辛抱強さをみるテの神経細胞の活動がどのような相関関係にあるのストといえる．このときの背側縫線核のセロトニか調べることができる．問題はその後である．どン神経の発火頻度を調べると，音刺激の直後からうやって因果研究に展開すればよいのだろうか．

セロトニン神経の発火頻度が上がり，餌場に頭を相関研究で神経活動の変化を記載したわけだか突っ込んでいる間中それが維持される．我慢できら，因果研究ではその神経活動を自在に操ることなくなったマウスは途中からセロトニン神経の発が必須となる．これまではモデル動物を使って，火頻度が元に戻ってしまう．この実験から，辛抱

電気刺激だったり，ムシモール投与（GABA 受容強さとセロトニン神経発火の持続に相関があると体アゴニスト）による領域全体の抑制だったり，いうことがわかる5）．セロトニン神経発火が持続

もっと激しくは領域をまるごと切り取る legion

するせいで辛抱強いのかどうかは，セロトニン神だったりと知恵をこらした方法で研究者が因果研経の発火頻度を操作して答えが出る．沖縄科学技究を目指してきた．残念ながらどの手法も別の解術大学大学院の宮崎らは薬剤をつかってセロトニ釈が可能になる結果しか生まなかった．

ン神経が発火しないように操作したところ，辛抱

たとえば電気刺激を例にとってみよう．電気刺強さがなくなってしまうことを証明した6）．一方

激を行えば神経細胞が発火するところまではよで，セロトニン神経の発火を秒単位で増やした

い．しかし，局所といえども興奮性神経と抑制性り，タイミングを見計らって発火させたりする方神経が密に絡み合い，電気刺激によって両方が発法が薬剤や電気刺激では不可能であったため，セ火する．興奮の興奮と抑制の興奮の足し算の結果ロトニン神経の発火頻度を上げると辛抱強くなるが電気刺激の結果となる．興奮性神経の支配が強かどうかはわからないままであった．宮崎らはセい領域では，電気刺激で興奮し，抑制性神経の支ロトニン神経細胞特異的に ChR が発現するマウ配が強い領域では電気刺激で抑制される．抑制性スを用い，光でセロトニン神経の発火頻度をタイ

神経支配の強い領域を，電気を使って興奮させよ

ミングよく増やしたところ，確かにマウスが辛抱うとしても不可能なことがわかる．これでは神経強くなることを証明した（論文投稿中）．このよう活動を自在に操作して，因果に踏み込むことはでに，オプトジェネティクスの登場によって，相関きない．

研究で明らかになった神経活動変化と行動変化にそこに登場してきたのがオプトジェネティクス

どのような関係性があるか，その因果関係を調べである．ChR を特定の細胞に発現させておいて，ることができるようになった．これがパラダイム領域全体に光をあてる．光に応答する細胞は ChRシフトである．

を発現する細胞だけで，その他の細胞は光には応答しない．特定の神経細胞だけを操作できる点がⅣ．オプトジェネティクスを脳機能画像に優れている．さらに優れている点は，光のオン，応用するオフに素早く反応することである．素早い（ミリ私達は，オプトジェネティクスを用いたマウスセカンド）応答ができることから，1 Hz の発火

海馬錐体細胞の興奮によって，興奮の開始から数も，40 Hz の発火も光で作り出すことができてし十秒経過してからマウスが激しく探索行動を行う

まうのである．

ことを報告した8）．海馬を興奮させることで脳の因果関係に迫る例としては以下のようなものがどの部位が興奮するのか，なぜ数十秒の遅延をある．ラットに音刺激を与えて，数秒後に餌を与もって探索行動が始まるのかが未解決であり，こ精 神 経 誌（2013）115 巻 12 号

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れを知るために全脳の活動を評価したいと考えさらに発展させる技術基盤であることに疑いがなた．マウスの fMRI が実験中央動物研究所と慶應い．

義塾大学医学部生理学教室とで運用されていたので，これにオプトジェネティクスを組み合わせることにした．狙いどおり，光によって駆動される海馬の興奮を fMRI でとらえることができた．そ

参考文献として Deisseroth による総説3，9，10）を紹介しておく．
なお，本論文に関して開示すべき利益相反はない．

れと同時に，脳の様々な部位で fMRI 信号の変化が観察された．海馬と機能的な連絡のある部位を描出できたと喜んだが，同時に疑問が残った．
fMRI 信号の変化が，どこまで神経発火と相関するのかわかっていないからである．MRI で得られ文献1）Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., et al.：Millisecond timescale, genetically targeted optical control ofneural activity. Nat Neurosci, 8（9）；1263 1268, 2005
2）Chow, B. Y., Han, X., Dobry, A. S., et al.：Highる物理信号は真実であるが，これをどうやって神performance genetically targetable optical neural silenc-

経発火情報に置換すればよいか知りたくなった．

ing by light driven proton pumps. Nature, 463（7277）；

オプトジェネティクスを用いれば，神経細胞だ
けではなくグリア細胞や血管をも選択的に操作できる ．光電流を与えるこの操作は非生理的では8）あるが，特定細胞の「興奮」が fMRI 信号のどのような変化をもたらすのか調べることができる．
神経細胞の興奮によって，グリア細胞も血管も何らかの応答をし，その集合が fMRI 信号になるので，fMRI 信号における各細胞の寄与率を求めることができるのではないかと考えている．実際に大脳皮質アストロサイトだけを「興奮」させてfMRI 信号を解析してみたところ，思いもよらない結果がえられた．fMRI 信号の本質はまだ未知のことが多く，これをオプトジェネティクスを利用して明らかにすることで，ヒト脳機能画像で得られる情報とモデル動物を用いた神経生物学的情報の橋渡しができるのではないかと考えている．
お わ り に98 102, 2010
3）Fenno, L., Yizhar, O., Deisseroth, K.：The developmeut and application of optogenetics. Annu Rev Neurosci, 34；389 412, 20114）Miller, G.：Optogenetics. Shining new light onneural circuits. Science, 314（5806）；1674 1676, 20065）Miyazaki, K., Miyazaki, K. W., Doya, K.：Activation of dorsal raphe serotonin neurons underlies waitingfor delayed rewards. J Neurosci, 31（2）；469 479, 20116）Miyazaki, K. W., Miyazaki, K., Doya, K.：Activation of dorsal raphe serotonin neurons is necessary forwaiting for delayed rewards. J Neurosci, 32（31）；1045110457, 20127）Nagel, G., Ollig, D., Fuhrmann, M., et al.：Channelrhodopsin 1：a light gated proton channel in greenalgae. Science, 296（5577）；2395 2398, 20028）Tanaka, K. F., Matsui, K., Sasaki, T., et al.：Expanding the repertoire of optogenetically targeted cellswith an enhanced gene expression system. Cell Rep, 2（2）；397 406, 2012.

オプトジェネティクスは，遺伝子導入を必須と

9）Tye, K. M., Deisseroth, K.：Optogenetic investi-する技術であること，光ファイバーを刺入する必

gation of neural circuits underlying brain disease in ani-

要があることの 2 点の理由で，ヒトに応用されることは考えにくい．言い換えるとモデル動物に限定して用いられる技術である．特定の神経活動を操作することを初めて可能にした技術であり，これによって行動と神経活動の因果性が明らかになる．モデル動物を用いた生物学的精神医学研究を

mal models. Nat Rev Neurosci, 13；251 266, 201210）Yizhar, O., Fenno, L., Davidson, T.J., et al.：Optogenetics in neural systems. Neuron, 71；9 34, 201111）Zhang, F., Wang, L. P., Brauner, M., et al.：Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry.
Nature, 446（7136）；633 639, 2007

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Optogenetics In Biological Psychiatry

Kenji F. TANAKA, Norio TAKATA, Masaru MIMURA

Optogenetics, the use of channelrhodopsin：genetically encodable light activated proteins,
allows the manipulation of specific neural circuit elements with millisecond precision. It has
been 10 years since the discovery of channelrhodopsin, and optogenetics is now widely
accepted as a powerful tool for addressing causal relationships between neural activity andbehavior.
＜Authorsʼ abstract＞＜Keywords：optogenetics, correlation, causality, illumination, electrical stimulation＞