Frontiers for Young Minds

脳や神経系にあるニューロンと呼ばれる特殊な細胞は、協力して私たちの思考や行動のすべてを作り出しています。 脳がどのように行動を制御しているかを理解するためには、ニューロンがどのように通信しているかを理解する必要があります。 人間の脳は非常に複雑ですが、その特性の多くは他の動物の脳と似ています。 つまり、神経科学者（脳や神経系を研究する科学者）は、単純な動物を使って、人間の脳について新しい発見をすることができるのです。

How Do Neurons Communicating Between Other?

Neurons communicate using a combination of electrical and chemical activity. 初期の科学者たちは、観察と巧妙な実験によってこれを発見しました。 1700年代後半、イタリアの科学者ルイジ・ガルヴァーニが、雷雨の中、市場を歩いていました。 彼は、カエルの足が売られているのを見つけ、それがピクピク動いていることに気づきました。 彼は、嵐の電気がカエルの脚の神経を活性化させているのではと考えた。 そして、この仮説を実験室で検証してみることにした。 ガルヴァーニは、電極と呼ばれる電流を流すための物体を使い、カエルの神経に電流を流した。 すると、カエルの足がピクピクと動くようになった。 これが神経科学における最初の電気刺激の研究であった 。 この発見から、ガルヴァーニは神経細胞が電気信号を使って情報を伝達することができると結論づけた。 これは知っておくべき重要なことです。 神経細胞がお互いにどのように会話しているかがわかったので、私たちは彼らの言葉を話し始めることができる。 電気信号を使っていくつかの神経細胞をオンにし、次に何が起こるかを見ることができるのです。 これこそ、科学者たちがやり始めたことです。 脳外科医のワイルダー・ペンフィールド博士は、てんかんの患者を治療していました。 てんかんは脳内に異常な電気信号を発生させ、非常に危険な状態になります。 極端な場合には、てんかんを止めるために脳の手術が必要になります。 ペンフィールド博士は、患者さんの脳をマッピングして、脳のどの部分が最も重要なのかを調べたいと考えた。 そうすれば、手術をしてはいけない脳の部位がわかるはずだ。 脳地図の作成には、ガルバニが行ったのと同じように、電気刺激を用いた。 脳の運動野に小さな電極を下げる。 そして、小さな電気信号を送り、患者の動きを観察した。 すると、脳のある場所を刺激すると指がピクピクし、少し違う場所を刺激すると足がピクピクすることが分かった。 このことから、ペンフィールド博士は、脳のある部位が身体の非常に特定の部位をコントロールしていることに気付いた。 ペンフィールド博士は、脳の運動野の位置が、どの患者さんにも似ていることに気づいた。 そして、その結果を図にしたものが、人間の脳の運動野の機能地図を初めて作成したのです。 ペンフィールド博士の機能地図は、ホムンクルスとして知られ、今日でも使われています。

1930年代以降、脳刺激実験も変化してきました。 電気刺激研究にはいくつかの欠点がある。 ひとつは電極を挿入するときに脳を損傷する可能性があることである。 もう一つの問題は、電気刺激は非常に一般的で非選択的な方法で組織を活性化することである（図1A）。 シャベルで済むところをブルドーザーでやるようなもので、ブルドーザーは効果的ですが、正確さや慎重さに欠けるのです。 2005年、より正確に脳を刺激できる新しい技術が誕生した。 この技術はオプトジェネティクスと呼ばれています。

Optogeneticsとは何ですか？

光遺伝学とは、光と遺伝子工学を使ってニューロンの活動を制御する方法です。 遺伝子工学は、科学者が生物の遺伝暗号（設計図）の情報を変更するプロセスです。 光遺伝学研究では、科学者は研究したいニューロンの遺伝コードを取り出し、そこに新しいコードを追加する。 この新しいコードによって、これらのニューロンは、光に反応するオプシンという特殊なタンパク質を作ることができるようになる。 オプシンは自然界に存在し、最初に発見されたのは藻類で、藻類はこのタンパク質を用いて光に向かって移動する。 しかし、オプシンはどのようにして神経細胞の中に入っていくのだろうか？ これには、いくつかの専門的な実験技術が必要です。 マウスを例にとって考えてみましょう。 オプシンをマウスの神経細胞に取り込むには、オプシンの遺伝コードをマウスの神経細胞の遺伝コードに注意深く挿入しなければならない。 これがうまくいけば、マウスのすべての神経細胞がオプシンを持つようになるはずだ。 我々はマウスの遺伝暗号について多くのことを理解しているので、オプシンをどこに入れるかを選択することができる。 特定の種類の神経細胞や、脳の特定の場所にコードを挿入することができるのだ。 7871>

神経科学の分野では、チャネルロドプシン-2（ChR2）と呼ばれるオプシンが最もよく知られています。 このオプシンは、緑藻類のクラミドモナス（Chlamydomonas reinhardtii）に由来しています。 ChR2は青色光で活性化される。つまり、青色光が当たったときだけ働き、他の種類の光には反応しないのである。 ChR2を神経細胞に挿入すると、青色光で神経細胞をオンにすることができるようになるということです。 ChR2を入れたニューロンは、青い光が当たっている間だけオンになっています。 このため、神経細胞が活動するタイミングを正確にコントロールすることができます。 通常、ニューロンは青い光の影響を受けないので（図1B）、ChR2を持つニューロンだけが青い光の影響を受けることになります（図1C）。 もし、ある街でA地点とB地点がどのようにつながっているかを知りたければ、単純にすべての道路を見て、道路地図を描けばいいのです。 これは一種の構造図であり、道路がどのように設定されているかを理解するのに役立ちます。 しかし、A地点からB地点に行くには、通常、いろいろな方法がある。 これは機能地図と呼ばれるもので、道路がどのように使われているかを知るためのものです。 脳では、神経細胞が道路のようなもので、神経細胞から神経細胞へ伝わる信号が車のようなものです。 通常、脳は非常に活発で、道路には常にたくさんの自動車が走っています。 脳地図のいたるところで、自動車はさまざまなタイミングで走行を開始し、停止しています。 あまりに多くの活動があるため、パターンが見えず、物事の関連性を理解することができません。 そのパターンを理解するためには、車がいつ、どこで旅を始めるかを制御できるようにすることが有効です。

私たちの街のすべての私道に車があると想像してください。 これらの車は、道路に出るための信号を待っている（図2A）。 電気刺激試験では、車がいつ走行し始めるかはコントロールできますが、どの車が道路に出て行くかはあまりコントロールできません。 電気刺激の場合、刺激は一般的なものです。 刺激に近い車はすべて道路に出ます。 つまり、追従する活動が多いのです（図2B）。 光遺伝学的刺激研究では、どの車をいつ道路に出すかを正確に選択することができます。 場所によって車のグループを選んだり（例えば、ある近所の車全部を道路に出すようにする）、車の種類によって選んだり（例えば、トラックだけを道路に出すようにする）することができるのです（図2C）。 これが選択的刺激です。 この場合、車の動きはかなりわかりやすくなります。 特定の車が道路でどのように動いているのかがよくわかります。

How is Optogenetics Used to Map the Brain?

Optogeneics can be used in several different ways for mapping the mouse brain (reviewed in Ref.).

Optogeneics は、マウスの脳をマッピングするために、いくつかの異なる方法で使用することができます。 7871>

ちょうど、都市の道路地図を拡大して主要な高速道路を見たり（図3A）、地図を拡大して1つの街区を見たり（図3B）できるように、脳も拡大または縮小することができます。 脳をズームアウトして、脳の大きな領域がどのようにつながり、機能しているかを見ることができるのです（図3C）。 このような大局的な見方は、脳内の情報が長距離を移動する様子や、脳のどの領域が互いにつながっているかに関心がある場合に有効です。 例えば、大都市には多くの道路や高速道路が通っている傾向がありますが、これは多くの人がその都市を行き来しているからです。 光遺伝学を使ってある脳領域を刺激し、他の脳領域での反応を記録することで、脳のどの領域が最も交通量が多いかを知ることができるのです。 これは、ある行動がどのように生み出されるかを理解する上で重要ですが、脳が特定の部位で損傷を受けた場合に何が起こるかを理解する上でも重要かもしれません（例えば、4番街で事故があった場合、交通の経路はどうなるのでしょうか？

また、脳を拡大して、個々の神経細胞がどのようにつながっているかを見ることもできます（図3D）。 オプトジェネティクスを用いると、光で一部の神経細胞をオンにし、他の神経細胞の反応を記録することで、神経細胞がどのように連携しているかを調べることができます。 このように詳細に観察することで、神経細胞がいつ、どのようにコミュニケーションをとっているのかを理解することができる。 これは、脳卒中になったときに起こるような、特定の領域のニューロン間のコミュニケーションを中断させる病気を調べるのに非常に役立ちます（これについては次のセクションで詳しく説明します）。 光遺伝学的技術が向上し、より多くのオプシンが作成または発見されれば、脳刺激研究においてさらに多くの制御が可能になる可能性があります。 もしかしたら、複数のオプシンを使って、複数の異なる種類のニューロンを同時に制御することができるようになるかもしれません。 各オプシンは特定の種類の光に反応するので、異なる光を用いて異なる種類のニューロンを制御することができるのです。 実際、いくつかのオプシンは、適切なタイプの光が存在するときにニューロンをオフにするように作用します。

街中の車をマッピングする例では、複数の信号を使って車の動きを制御することができました。 ある信号（例えば青信号）を出すと1組の車が道路に出て行き、別の信号（例えば赤信号）を出すと別の車が道路に出て行くようにすることができるのです。 赤信号の車を先に走らせるとどうなるか？ 青信号の車を先に走らせるとどうなるか？ 同時に走らせたらどうなるか？

では、科学者はどのような手法で、どのオプシンを使うかを選択するのでしょうか。 その答えは、科学者が探求したい疑問によって変わってきます。 次のセクションでは、オプトジェネティクスを使用して調査された疑問のいくつかに焦点を当てます。 それ以来、光遺伝学的手法は、個々の神経細胞の集まりのコミュニケーションから、大きな脳領域間の相互作用まで、さまざまな観点から脳を研究するために使用されています（文献にレビューあり）。 その他にも、多くの研究が光遺伝学的手法を用い、様々なテーマや疑問について研究しています。 最近の疑問としては、「恐怖は脳のどこにあるのか？ リスクと報酬はどのように計算されるのか？ 記憶はどのように保存されるのか？ (などがあります（文献レビュー）。 私たちは、脳卒中の後、脳がどのように変化するかを調べるために、マウスを用いた光遺伝学的手法を用いました。 脳卒中は、脳のある部位への血液供給が途絶えたり減少したりしたときに起こります。 血液は、脳が生きていくために必要な酸素やその他の重要な栄養素を運んでいるため、これは危険な状態です。 脳のいずれかの領域が酸素なしであまりにも長い間行く場合は、その領域の神経細胞は、最終的に死ぬでしょう。 その結果、その部分だけでなく、その部分とつながっている他の脳の部分にも問題が生じます。 今回の研究では、脳のある部位に起こった小さな脳梗塞が、他の多くの部位にどのような影響を及ぼすかを調べたいと考えました。 そこでまず、ChR2を用いて、マウスの脳の機能マップを描きました。 そして、脳梗塞を発症した動物と発症していない動物の脳機能マップを比較しました。 すると、時間の経過とともに地図が変化していることがわかりました。 脳卒中後1週間では、脳全体の活動は非常に低い状態でした。 驚いたことに、脳梗塞から遠く離れた場所でも活動が低下していたのです。 脳卒中後8週目には、脳活動全体が高くなったが、元には戻らなかった。 これらのデータから、小さな脳卒中でも、脳全体の働きに大きな影響を与える可能性があると結論づけました。 脳卒中の後、脳に何が起こるのかを理解することは、科学者が脳卒中の患者さんのためにより良い治療法を生み出すのに役立つと思います。 これは、光遺伝学が脳に関する疑問の調査に役立つことを示す一例に過ぎません。 今後何年にもわたって、脳科学者がオプトジェネティクスを利用し続けることになりそうです。 脳内の特殊な細胞で、電気信号や化学信号を送受信することで互いにコミュニケーションをとっている。 脳には何十億もの神経細胞があり、これらの細胞間で送られる信号が、私たちのすべての思考や行動の基礎となっています。 ニューロンは神経細胞と呼ばれることもあります。

Electrical Stimulation Study（電気刺激研究）。 小さな電極を挿入し、組織に電流を流すことによって、神経細胞または神経経路を活性化する手法。

神経科学。

神経科学：脳や神経系を研究する科学の一分野です。

光遺伝学。 光と遺伝子工学の組み合わせにより、細胞の活動を制御する技術

遺伝子工学。 生物の遺伝暗号（設計図）の情報を付加したり、削除したりして変化させること。 遺伝子工学は遺伝子組換えと呼ばれることもある。

オプシン。 特定の種類の光に反応するタンパク質（例えば、ChR2は青色光にのみ反応する）。 神経科学では、これらのタンパク質はニューロンの活動を制御するために使用されます。

Channelrhod-Opsin-2 (ChR2)。 青色光に特異的に反応するオプシン。 ChR2を神経細胞に挿入すると、青色光でその神経細胞をオンにすることができる。 ChR2は現在、オプトジェネティクス研究で最もよく使われているオプシンである

脳卒中。 通常、血液は酸素やその他の重要な栄養素を脳に運んでいる。 血液の供給が途絶えたり減少したりすると、脳が正常に機能するために必要なものが供給されなくなります。 これは脳卒中と呼ばれ、永続的な問題や機能障害を引き起こす可能性があります。

利益相反声明

著者らは、潜在的な利益相反と解釈できるような商業的または金銭的関係のない状態で研究が行われたことを宣言します。

原典記事

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Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., Vanni, M. P., and Murphy, T. H. 2013. 機能的なマウス脳マッピングのためのオプトジェネティックアプローチ。 Front. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

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