膜電位感受性色素
↑ Weber G, Laurence DJR : Fluorescence indicators of adsorption in aqueous solutionand on solid phase. Biochem 56 : 1954
↑ Tasaki I : Effects of ultraviolet and visible light on nerve fibers and changes in optical properties during nervous activity. In, Advances in Biological and MedicalPhysics. pp 307-327, Academic Press, New York, 1970
↑ Kobatake Y, Tasaki I, Watanabe A : Phase transition in membrane with refer ence to nerve excitation. Adv Biophys 2 : 1-31, 1971
↑ Cohen LB, Hille B, Keynes RD : Light scattering and birefringence changes during activity in the electric organ of Electrophorus electricus. J Physiol (London) 203 : 489-509, 1969
↑ Cohen LB, Keynes RD, Landowne D : Changes in light scattering that accompany the action potential in squid giant axons : potential-dependent components.
複屈折と光散乱変化の膜電位依存性成分を検討したCohenら (1971, 1972) はイカ巨大神経線維の膜電位固定法の実験によりANSとTNS (2-p-toluidinyl-6-naphthale sulfonate) の螢光変化と膜電位との関係も詳しく調べた。その結果、ANS, TNSの螢光変化も、 「コンダクタンスの増大に対する構造的基礎を与えるものでなく、膜電位の変化によって引き起こされた膜構造の二次的変化についての情報を与えているに過ぎない」 と示唆した (Davila, et al, 1974)。これは興奮のメカニズムと関係する膜分子のconformationの変化を反映しているとするTasakiら (Conti, et al, 1971 ; Tasaki, et al, 1972) の主張とは対立するもので、両グループ間で激しい論争が引き起こされた。Cohenのグループはさらにいろいろな色素について調べたが、結局、コンダクタンスの変化を反映するような色素を見いだすことはできず、観測された螢光変化はすべて膜電位を直接コピーしているだけであるという結果のみが得られたのである。
これらの実験の過程で、特にMerocyanine 540がイカ巨大神経線維の活動電位に伴って静止電位に対して 10 のオーダーという極めて大きな螢光変化を示すことが見いだされた(Davila, et al, 1973)。さらに、この色素で、螢光だけでなく、活動電位に伴って吸光変化もまた大きく変化することが示された (Ross, et al, 1974)。
脊椎動物の個体発生、特にその初期過程では中枢神経系のニューロンは非常に微小でかつ脆弱ということもあって、通常のガラス微小電極法による測定は技術的にほとんど不可能といってもよい。したがって、個体発生に伴う中枢神経系の形態学的、細胞生物学的、さらには分子生物学的研究の著しい進展ぶりに比べて、動的システムとしての生理学的研究あるいは機能構築過程に関する研究は大きい遅れをとっている。これは個体発生の早い段階での神経細胞は微小で、微小電極が刺入できないことや、多領域からのニューロン活動を同時記録できないという方法論的制約に起因している。そこで、神野らは膜電位感受性色素を用いた光学的方法を導入することによって初期胚の心臓、中枢神経系におけるニューロン応答を検出しながら、その機能構築過程の追跡を進めた。(Kamino, et al, 1989 ; Kamino, 1990, 1991 ; 神野, 他, 1983 ; 神野、1985, 1991)。
↑ voltage-sensitive dyeの日本語訳としては、膜電位プローブや電位感受性色素をはじめとして様々な用語が用いられてきたが、生体膜の膜電位をモニターするための色素であることを強調するための「膜」という文字がつけられた「膜電位感受性色素」が当初より用いられた正式な用語である。
↑ http://neurophotonics.spiedigitallibrary.org/Issue.aspx?JournalID=169&issueID=931888&direction=P
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↑ Schmitt FO, Bear RS : The ultrastructure of the nerve axon sheath. Biol Rev 14 : 27-50, 1939
↑ Hodge CF : A microscopical study of changes due to functional activity in nerve cells. J Morphol 7 : 95-164, 1892
↑ Mann G : Histological changes induces in sympathetic, motor, and sensory nerve cells by functional activity. J Anat Physiol 29 : 100-108, 1894
↑ Lillie RD : Uses and standardization of biological stains.
・一方、TasakiとWatanabeらもまた、ヤリイカ (Loligo pealei) の巨大神経線維で、活動電位に伴う複屈折変化と神経線維に吸着させたANS (8-anilinonaphthalene-1-sulfonate) の螢光変化を記録した。 この2論文が現在のニューロン活動の光学的測定の発火点ともなった。 ところで、これら2つの研究は、当初、HodgkinとHuxley (1952) による神経興奮についてのナトリウム説とその現象論的定式化の後をうけて、神経興奮の膜分子レベルでのメカニズムを探る目的で始められたものであった。実際、Tasakiらが用いたANSは、それまでにWeberとLaurence (1954) により、蛋白質の高次構造変化の研究に導入された疎水性プローブである。したがって、得られた光学的シグナルは、興奮に直接関係した膜分子のconformationalな変化を反映したものであることが期待され、その面から興味をもたれたのである。特に、日本ではこの傾向が強く支配した(例えば、Tasaki, 1970 ; Kobatake, et al, 1971)。 しかしながら、Cohenらは、その論文の中で、 「膜電位固定の実験で複屈折変化の時間経過が膜電位変化と同じであり、電流の時間経過とは対応性が見いだされない」 ことを示し、 「複屈折変化が、ほとんど膜電位変化に依存したものである」 ことを指摘している。ここには、すでに「膜電位の光学的測定」の伏腺が見え隠れしている。なお、Cohenら (1969) はシビレエイの発電器官のシナプス前線維を電気刺激して、発電器官の90°方向の光散乱に2相性の変化が現れることを見いだし、これはシナプス伝達を反映した光学的変化であることを示唆している。シナプス機能の光学的測定のはしりである。