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2013年10月3日

理化学研究所

脳発達過程における「臨界期」開始の新理論を提唱

-神経細胞の自発的活動の抑制で臨界期に至る脳の発達を説明-

臨界期開始の理論から予測される神経細胞の入出力関係の図

臨界期開始の理論から予測される神経細胞の入出力関係

私たちの脳には複雑な脳神経回路が張り巡らされています。脳神経回路は脳の自発的な神経活動や外部環境からの刺激を受けることによって発達します。この発達の段階では、脳の働きが環境や経験、あるいは学習によって変わりやすい時期があります。それを「臨界期」と呼びます。臨界期は環境からの刺激に応じて神経回路の再編や組み替えが最も起こりやすい時期です。さまざまな脳の働きに対応して感覚や言語、運動など複数の臨界期があり、関連した機能の臨界期は連鎖的に起きることが知られています。そう言えば、私たちにも経験がありますよね。「もっと小さい時にピアノを習っておけばよかった」とか「スキーは小学校低学年からがいいね」とか。当然、個人差はあるものの、だいたいその頃が臨界期だったのかも…。「オレいつでも恋の臨界期だぁ」なんていっているやつは放っておきましょう。

神経細胞には興奮性と抑制性があります。お互いがバランスよく制御し合うことで機能を維持しています。過去の実験によって、視覚に関する臨界期の開始には神経活動を抑える抑制性神経細胞からの入力の増強が必要であることが示されました。しかし、その詳細なメカニズムは分かっていません。従来提案された仮説では、臨界期前に起こる経験に依存した脳神経回路の組み替えを説明できませんでした。そこで、理研の研究者らのチームは、臨界期がどのように始まるかを説明する新しい理論の構築に取り組みました。

臨脳神経回路は、臨界期開始前の発達初期段階において、外部からの刺激に依存しない自発的な神経活動によって形成されます。しかし、成長に伴い、外部環境からの刺激の影響を受けて脳神経回路の形成が進むようになります。この発達過程と臨界期開始の関係は、これまであまり知られていませんでした。研究チームは、「抑制性神経細胞からの入力が増強すると脳神経回路の自発的活動が低下し、環境や経験といった外部からの感覚刺激に応じた神経細胞の活動が、脳神経回路の組み替えを決定し、この切り替わりをきっかけに臨界期が始まる」という理論を提唱しました。神経回路モデルの解析とシミュレーションの結果、この理論が抑制性神経細胞からの入力の増強による臨界期開始を説明できるばかりでなく、従来の仮説では説明しきれなかった臨界開始前の視覚経験に応じた脳神経回路の組み替えについても説明できることを示しました。この理論を裏付けるため、遺伝子改変マウスを使った電気生理学実験を行ったところ、臨界期開始前の抑制性神経細胞からの入力の増強が、視覚野の神経細胞の自発活動を減衰させることが分りました。

臨界期が脳の自発的な活動の低下によって連鎖的に起こるとすると、これによって脳の持つ階層構造の発達が説明できる可能性があります。また、臨界期開始のメカニズムの解明で、脳の発達過程を理解することが可能になれば、より効率的な教育プログラムの提言にもつながります。

理化学研究所
脳科学総合研究センター 神経適応理論研究チーム
チームリーダー 豊泉 太郎 (とよいずみ たろう)