神経細胞の機能は、胎児期に大脳が作られる過程により影響を受けることを発見

ポイント

• 大脳皮質の神経細胞の機能は、胎児期にどの幹細胞から生まれたかによる影響を受ける。
• 同時に生後の発達過程の影響も考えられる。
• 大脳の神経回路と機能がどのように形成されるのかについての解明へ前進。

＜研究の背景と経緯＞

大脳皮質の視覚野にある神経細胞は、眼の網膜からの入力を受け取って、物体を認識するのに必要な情報処理をしています。一次視覚野にある細胞は、物体の輪郭を検出して反応します。個々の細胞は特定の傾きの輪郭に反応し、これを方位選択性といいます。

本研究グループは、マウス、ラットなどのげっ歯類の視覚野には、ヒト、サル、ネコなど、高等哺乳類に見られる機能コラム^注４）（図１ｃ）が存在せず、異なった方位選択性を持つ細胞が、混ざり合って存在していることを見いだしました（図１ｂ）。しかしながら、このような異なった機能を持つ細胞が混ざり合って存在する構造が、どのようにして作られるのかということについては、全く分かっていませんでした。

より一般的な問題として、個々の神経細胞の機能はどのようにして決まっているのか、遺伝的に決まっているのか、それとも生後の神経の自発活動や、外界からの感覚入力などに依存して決まるのかについて、長らく議論が重ねられて来ましたが、胎児期の発生（脳の作られ方）が、神経細胞の機能にどう影響するかは全く分かっていませんでした。

胎児期に大脳皮質が作られる時、脳室帯というところにある神経幹細胞が、分裂して神経細胞を多数（約６００個といわれています）生み出します。神経幹細胞は、放射状グリア細胞とも呼ばれていて、大脳皮質の表面に向けて長い突起を伸ばしています。この突起を伝って、神経細胞は大脳皮質の表面の方へ移動してきます。この時、マウスなどのげっ歯類の大脳皮質では、突起を伝ってまっすぐ移動するだけでなく、隣の放射状グリア細胞の突起へと移動することがあります（図２ａ）。これによって、１つの神経幹細胞の子孫は、放射状グリアの突起に沿って一列に並ぶのではなく、数列にわたって、ばらばらに分布します。従って、他の神経幹細胞から分化した神経細胞と混ざり合うことになります（図２ｂ）。

そこで、本研究グループは、異なる機能の細胞が混ざり合っていること（図１ｂ）と、異なる神経幹細胞から生み出された神経細胞が混ざり合って分布していること（図２ｂ）には、何らかの関係があるのではないかと考えました。最近の研究により、同じ神経幹細胞の子孫同士は、生後の大脳皮質で、選択的に結合している確率が高いこと（図２ｃ）が報告されています。このことから１つの神経幹細胞から分化した子孫同士は、この選択的な結合によって、生後に、似た方位選択性を獲得するのではないかと仮説を立てました（図２ｄ）。もし、この仮説が正しければ、異なる機能の細胞が混ざり合っている構造は、異なる神経幹細胞の子孫が混ざり合っていることになります。

＜研究の内容＞

本研究では、異なった方位選択性を持つ細胞が混ざり合って存在する構造の形成に、胎児期の脳の作られ方が関与しているか調べました。

同じ神経幹細胞から生み出された細胞を同定するために、遺伝子組み換えマウスを用いました。この遺伝子組み換えマウスは、共同研究者のカルロス・ロイス博士らにより開発されたもので、ごく少数の神経幹細胞でのみ遺伝子組み換えが起こり、その子孫の神経細胞が全て蛍光たんぱく質で標識されます（図３ａ、ｂ）。この遺伝子組み換えマウスと２光子顕微鏡を用いて、生きたままのマウスの脳で、蛍光たんぱく質で標識された同じ神経幹細胞から生み出された神経細胞を観察しました（図３ｃ）。マウスの脳内にある個々の神経細胞の方位選択性を調べるために、私たちが２００５年に世界で初めて開発した、２光子カルシウムイメージングによる機能マッピング^注５）という方法を用いました（図１ａ）。この方法を用いると、何千もの脳内の神経細胞の活動を同時に計測し、どのような視覚刺激を与えた時にそれぞれの神経細胞が反応するか、細胞の方位選択性を調べることができます。

上記方法により、同じ神経幹細胞から生み出された神経細胞の活動を計測し、これらの細胞の方位選択性が似ているかどうかを検証しました（図４ａ、ｂ）。その結果、同じ神経幹細胞から生み出された細胞のうち、過半数の細胞が似た方位によく反応することが分かりました（図４ｃ、赤）。しかし、残りの細胞は、別の方位に反応していました（図４ｃ、緑）。さらに、同じ神経幹細胞から生み出された細胞のペアと、そうでない細胞のペアを比べたところ、前者のほうが後者より、方位選択性が似ていることが分かりました。

今回の研究成果から、どの神経幹細胞から生まれたかによって、大脳皮質の神経細胞の方位選択性は影響を受けることが分かりました。さらに、同じ神経幹細胞から生み出された細胞の半分弱は他の方位に反応したことから、どの神経幹細胞から生まれたかによって、個々の神経細胞の方位選択性が完全に決まってしまうのではなく、生後の発達過程、例えば神経活動に依存する過程を通して、最終的な方位選択性が決まるのではないかと考えられます。

＜今後の展開＞

今回の研究成果は、大脳の機能が胎児期の発生様式に少なくとも一部は依存していることを示した初めてのものであり、大脳の神経回路と機能がどのように形成されるのかを解明する上で、大きな前進となる基本的な知見であると考えられます。次の目標としては、同じ神経幹細胞から生み出された細胞が似た反応選択性を獲得するための分子メカニズムを解明することと、生後の発達過程がどのように最終的な反応選択性を決めているのかを解明することが重要と考えられます。

今回の発見は、ヒトなどの高等哺乳類の大脳とマウスなどのげっ歯類の大脳の構造が何故違うのか、という進化論的な研究にも手掛かりを与えてくれるのではないかと考えています。次の目標としては、ヒトを含む高等哺乳類では、なぜ機能コラムが存在するのかを、発生学的に解明することが重要になると考えられます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 視覚野

大脳皮質の後頭葉にあり、視覚に直接関係する部分を視覚野と呼ぶ。複数の視覚野が存在するが、その中でも最初に視覚情報を受け取る領域を一次視覚野と呼ぶ。

注２） 神経幹細胞

神経細胞およびグリア細胞へ分化する細胞を生み出す幹細胞のこと。興奮性の神経細胞とグリア細胞を生み出す神経幹細胞は、側脳室の壁面にあたる脳室帯に分布する。放射状グリア細胞とも呼ばれていて、大脳皮質の表面に向けて長い突起を伸ばしている。

注３） ２光子顕微鏡

２光子顕微鏡は、１９９０年にＷｉｎｆｒｅｄ　Ｄｅｎｋ博士らにより開発された顕微鏡である。１つの蛍光分子が２つの光子を同時に吸収して励起状態となる非線形光学現象を利用しており、深部のイメージングを可能とする。近年、神経科学への応用が活発になっており、生きたままの動物の脳内にある、個々の神経細胞を観察することなどに利用されている。

注４） 機能コラム

ヒト、サル、ネコなど、高等哺乳類の大脳皮質の一次視覚野には、同じ機能－例えば同じ方位選択性－の細胞が集まって存在する機能コラムが存在することが知られている（図２ｃ）。この機能コラムの存在は、方位選択性などの感覚情報を処理するために重要であると考えられてきたが、げっ歯類の一次視覚野には機能コラムがないことが示された。

注５） ２光子カルシウムイメージングによる機能マッピング

神経細胞が活動すると、細胞外から細胞内にカルシウムが流入して、細胞内のカルシウム濃度が上がる。カルシウム濃度は、カルシウム指示薬を神経細胞の内部に導入し、カルシウムイメージングすることにより測定することができる。カルシウム指示薬は、カルシウムの濃度が上がると、蛍光が強くなる物質である。このカルシウム指示薬の蛍光を、２光子顕微鏡で観察することにより、脳内の神経細胞の活動を計測することができる。また、この時、同時にマウスの眼に視覚刺激を与えて、どのような視覚刺激を与えた時に、それぞれの神経細胞が反応するか、細胞の方位選択性を調べることができる。

＜論文タイトル＞

“Similarity of visual selectivity among clonally related neurons in visual cortex”
（視覚野における単一神経幹細胞の子孫の反応選択性の類似について）
doi: 10.1016/j.neuron.2012.05.023

＜お問い合わせ先＞

大木 研一（オオキ ケンイチ）
九州大学 大学院医学研究院　教授
〒812-8582 福岡県福岡市東区馬出３丁目１－１
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