広報活動

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2012年3月23日

独立行政法人 理化学研究所

記憶が特定の脳神経細胞のネットワークに存在することを証明

―自然科学で心を研究、心は物質の変化に基づいている―

ポイント

  • 記憶痕跡に関連する脳神経細胞のネットワークを光遺伝子で標識
  • マウスの脳神経細胞を光で刺激して、記憶の呼び起こしに成功
  • 神経系変性疾患や精神神経疾患のメカニズム解明に貢献

要旨

独立行政法人理化学研究所(RIKEN)の脳科学総合研究センターと協力関係にある、マサチューセッツ工科大学の「RIKEN-MIT神経回路遺伝学センター」の利根川進教授の研究室は、マウスの脳の特定の神経細胞を光で刺激して、特定の記憶を呼び起こさせることに成功し、脳の物理的な機構の中に記憶が存在することを初めて実証しました。

私達の懐かしい思い出や恐ろしい記憶は、時間や場所、またはその経験を含むあらゆる感覚とともに、完全に呼び起こすことができる“記憶の痕跡”として脳に残されます。神経科学者たちはこれをエングラム(Engrams)と呼びます。しかしエングラムとは概念に過ぎないのか、あるいは脳内の神経細胞の物理的なネットワークなのか、分かっていませんでした。

研究グループは、最先端の遺伝子工学と光の照射で、特定の神経細胞のオン・オフを制御する光遺伝学(オプトジェネティックス)※1をマウスに適用して、エングラム学説の謎に挑みました。まず学習がおこって、海馬※2の特定の神経細胞がオン状態になると、これらの細胞が光に反応するタンパク質(チャネルロドプシン)で標識されるような、トランスジェニックマウスを作製します。学習としては、ある環境下で足に軽い電気ショックを与えると、マウスが環境とショックの関係を覚える、という方法を使います。普通、マウスにこの関係を思い出させて、その結果恐怖による“すくみ”(不動でうずくまった姿勢)の行動を示すようにさせるためには、この環境に戻してやらなくてはなりません。利根川研究室では、学習したマウスをまったく別の環境に移しても、学習中にオンになった細胞群に直接光を照射して再びオン状態にすると、“すくみ”の行動を喚起させることができることを発見しました。つまり、人為的な刺激がショックの記憶を呼び起こしたということです。

この成果は、記憶が特定の脳細胞に物理的に存在することを示しただけでなく、より一般的に、心というものが物質の変化に基づいていることの実証となります。今後さらに、脳の物理的な動きと心の現象の解明に貢献すると期待できます。

この研究には、利根川研究室の研究員シュー・リュ―(Xu Liu)、ぺティー・パン(Petti T. Pang)、コリー・バーイヤー(Corey B. Buryear)、アービンド・ゴビンダラヤン(Arvind Govindarajan), 大学院生スティーブ・ラミレ(Steve Ramirez)およびスタンフォード大学教授カール・ダイスロス(Karl Deisseroth)が参加しています。

本研究はRIKEN-BSIおよびアメリカ国立衛生研究所(NIH)の支援で実施され、『Nature』オンライン版(2012年3月22日付、日本時間3月23日)に掲載されます。

背景

私たちの懐かしい思い出や恐ろしい記憶、例えばファーストキスや夜間の衝突事故などは、時間や場所あるいはそのような経験を含むあらゆる感覚とともに、過ぎた昔の思い出を完全に呼びもどすことのできる“記憶の痕跡”として脳に残されます。神経科学者たちはこれをエングラム(engrams)と呼びます。しかし、エングラムとは概念にすぎないのでしょうか、あるいは脳内の物理ネットワークなのでしょうか。

1900年代前半、カナダの有名な脳神経外科医であるワイルダー・ペンフィールド(Wilder Penfield)博士は、てんかん患者を治療するとき、発作を起こす脳内の部位を摘出する方法を用いていました。ペンフィールド博士は、問題の神経細胞だけを確実に抽出するため、局所麻酔した患者の脳に小さな電極で刺激を与え、患者に何を体験しているか報告させました。驚くべきことに、ある部位の限られた数の神経細胞に刺激を与えたとき、ある患者は複雑な出来事の全てを鮮明に思い出しました。この部位は、エピソード記憶の形成と読み出しに必須と考えられている、大脳皮質・側頭部にある海馬でした。それ以来、科学者たちは同様な現象を探しましたが、いまだに海馬の直接の活性化が記憶の読み出しに十分であるかどうかは立証されていません。

2005年、光遺伝学(オプトジェネティクス)という実験手法が導入されました。この手法は、標的とする神経細胞のオン/オフを光照射で制御可能にする技術で、光を受けて細胞を活性化させる機能を持ったタンパク質を、遺伝子組み換えにより神経細胞に強制的に発現させます。

利根川進研究室の博士研究員シュ・リュウ(Xu Liu)と大学院生スティーブ・ラミレス(Steve Ramirez)は、「この新しい技術により、記憶の符号化と保存についての仮説を直接検証できると考えました。通常必要とされる知覚に頼らず、記憶を人為的に活性化し、個人的記憶など、つかの間の現象すら脳の物理的機構の中に存在するという証拠を実験的に提供したいと考えました」と語ります。19世紀のフランスの作家で、「失われた時を求めて」を執筆したマルセル・プルーストが、かつて大好きだったマドレーヌ・クッキーの香りから子供の頃の記憶を呼び覚ました理由の解明につながります。

研究手法と成果

研究グループは、マウスが新しい環境について学習しているときだけ活性化した海馬の中の脳神経細胞群を特定しました。さらに、どの遺伝子が活性化したかを同定し、この遺伝子と、光遺伝学で使われる光活性化タンパク質「チャネルロドプシン2 (channelrhodopsin-2、ChR2)」の遺伝子を結合しました。次に、海馬体歯状回(dentate gyrus of the Hippocampus)の脳神経細胞にこの結合した遺伝子を導入したトランスジェニックマウスを作製し、その細胞を小型の光ファイバーを通して光で刺激できるようにしました。

このトランスジェニックマウスをある環境におき、探索的な動きを数分間続けさせた後、足に軽いショックを与えました。マウスは、この環境はショックが来るぞということを学習します。この学習のために活性化した細胞は、ChR2で標識化されます。これは、特定の経験に対応した特定のエングラムに関わる神経細胞の物理的なネットワークを標識化することになります。その後、別の環境にマウスを移し、標識化した細胞に光パルスを与えると、「もとの環境とショック」の記憶に関係する神経細胞はオンの状態となり、マウスはたちまちこの記憶の最も顕著な兆候であるすくみ(不動でうずくまった姿勢)を示しました。

光で誘発されたすくみは、マウスがこの環境でショックを受けたという記憶が実際によみがえったことを示すもので、人為的に呼び起こされたものです。博士研究員シュ・リュウは「私たちの実験結果は、記憶がまさに特定の脳神経細胞に存在することを示しています」と語ります。また、ペンフィールド博士の観察以来科学者が疑問に思っている記憶の呼び出しについて、「光のような物理的手段で特定の細胞を単に再活性化すると、全ての記憶をよみがえらすことができます」と説明しています。

こうして、記憶が実際に特定の脳神経細胞のネットワーク内に存在することを実証し、その小さな部位を物理的に活性化して記憶の全てをよみがえらせることに成功しました。

今後

今回の方法は、21世紀の主要な問題である神経系変性疾患や精神神経疾患といった研究分野への応用が期待できます。大学院生スティーブ・ラミレスは「私たちの脳を構成する動的な部分について理解が深まるほど、脳の一部が破壊し、悲惨にも思考が損傷したとき、何が起きるか解明することができるようになります」と語ります。

利根川進教授は「特定の記憶を呼び起こすといった高度な認識に基づく行動を、光刺激という極めて具体的な物理的手法で、哺乳動物の特定の脳細胞を刺激し引き出すことに成功しました。これは、ペンフィールド博士が偶然得た観察結果「心は物質に基づく」という仮説を検証するため、改めて綿密に計画した21世紀の実験です」と語っています。また、16世紀のフランス哲学者が書いた「我思う、故に我あり」に触れて、「ルネ・デカルトは、心が自然科学で研究できるとは信じていませんでした。しかしデカルトは間違っていました。この実験法は、記憶の想起のような心の現象が物質の変化に基づいていることを実証する究極的な方法です」と語ります。哲学者は長い間疑ってきましたが、心が自然科学によって研究できることを改めて証明しました。

原論文情報

  • Xu Liu, Steve Ramirez, Petti T. Pang, Corey B. Puryear, Arvind Govindarajan, Karl Deisseroth, and Susumu Tonegawa
    “Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall”Nature,2012 DOI: 10.1038/nature11028

    (この記事はMITのCathryn DeLudeの英語のプレスリリースを翻訳したものです。)

発表者

独立行政法人理化学研究所
RIKEN-MIT神経回路遺伝学センター(CNCG)
センター長 利根川 進 (とねがわ すすむ)

お問い合わせ先

脳科学研究推進部 企画課
入江 真理子(いりえ まりこ)
Tel: 048-467-9757 / Fax: 048-467-4914

報道担当

独立行政法人理化学研究所 広報室 報道担当
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産業利用に関するお問い合わせ

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補足説明

  1. 光遺伝学(オプトジェネティクス)
    光を意味するOpto-+遺伝学を意味するgeneticsを合わせた言葉。神経回路機能を光と遺伝子操作を使って調べる研究分野。ミリ秒単位の時間的精度をもった制御を特徴とする。2005年に発表された論文が注目され神経科学の革命と言われた。
  2. 海馬
    大脳側頭葉の内下部にあり、両側を合わせた形がギリシャ神話の海神がまたがる海馬に似ていることからこの名称が付いた。両側を破壊すると記憶障害が起きることから、記憶に関与すると考えられている。

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