広報活動

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2016年3月17日

理化学研究所

アルツハイマー病で記憶は失われていない可能性

-アルツハイマー病モデルマウスの失われた記憶の復元に成功-

要旨

理化学研究所(理研)脳科学総合研究センター理研-MIT神経回路遺伝学研究センターの利根川進センター長らの研究チームは、アルツハイマー病モデルマウス(ADマウス)[1]の失われた記憶を、光遺伝学[2]を用いて人為的に復元することに成功し、このモデルマウスで記憶を思い出せなくなるメカニズムの一端を解明しました。

アルツハイマー病(AD)は、物忘れなどの記憶障害から始まり、徐々に認知機能全般が低下する病気で、世界で4,750万人と推定されている認知症患者のうちADは7割程度を占めています注1)。ADでは、記憶の形成、保存、想起に重要な海馬の周辺で神経細胞の変性が始まることから、海馬の異常が記憶障害を引き起こす可能性が指摘されていました。しかしAD初期における記憶障害の原因が、記憶を新しく形成できないためなのか、それとも形成された記憶を正しく思い出せないためなのか、そのメカニズムは全く不明でした。

研究チームはすでに、記憶の痕跡が海馬の「記憶エングラム」と呼ばれる細胞群に保存されることを証明しています注2)。そこで、ヒトのAD患者と同様の神経変性を加齢に伴って示すADマウスでは記憶エングラムがどうなっているのか、直接調べようと考えました。マウスを実験箱に入れ、弱い電流を脚に流す体験をさせた翌日、再びマウスを同じ箱に入れました。すると、マウスは嫌な体験の記憶を思い出して「すくみ」ます。しかし、ヒトのAD患者由来の遺伝子変異が導入されたADマウスは嫌な体験の翌日に同じ箱に入れてもすくまず、記憶障害を示しました。そこでADマウスが嫌な体験をしている最中の記憶エングラム細胞を特殊な遺伝学的手法で標識[3]し、嫌な体験の翌日、青色光の照射によりエングラム細胞を直接活性化したところ、ADマウスはすくみました。この結果は、ADマウスは記憶を正常に作っているが、それを想起できなくなっている可能性を示唆しています。研究チームはさらに、ADマウスにおける記憶想起の障害が、神経細胞同士をつなぐシナプス[4]が形成されるスパイン[5]という構造の減少と関連していることを突き止め、光遺伝学を用いてこのスパインを正常化すると記憶想起も正常化することを実証しました。

「AD患者の記憶は失われておらず、思い出せないだけかもしれない」と利根川センター長は言います。ADの記憶障害のメカニズムの一端を動物モデルで解明したことで、今後のAD治療・予防法の開発につながることが期待できます。

本研究は、国際科学雑誌『Nature』(3月24日号)に掲載されるのに先立ち、オンライン版(3月16日付け:日本時間3月17日)に掲載されます。

注1)WHOホームページ
注2)2012年3月23日プレスリリース「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

※研究チーム

理化学研究所 脳科学総合研究センター 理研-MIT神経回路遺伝学研究センター
センター長 利根川 進(とねがわ すすむ)(マサチューセッツ工科大学 教授)
博士課程 ディーラジ・ロイ(Dheeraj Roy)(マサチューセッツ工科大学 博士課程)

背景

アルツハイマー病(AD)は、物忘れなどの記憶障害から始まり、徐々に認知機能全般の低下が進む病気です。世界で4,750万人と推定されている認知症患者のうちADは7割程度を占めています。日本でも平成26年10月の推計AD患者数は約9万2千人注3)で、高齢化が進む現代社会の大きな問題となっています。

ADでは、記憶の形成、保存、想起に重要な役割を果たす海馬およびその周辺で神経細胞の変性が始まることから、海馬の働きの異常がAD初期の記憶障害を引き起こしている可能性が以前から指摘されていました。しかし記憶障害の原因が、記憶を新しく形成できないためなのか、それとも形成された記憶を正しく思い出せないためなのか、そのメカニズムは全く不明でした。

研究チームは、光遺伝学を用いた別の研究で、個々の記憶の痕跡は海馬の「記憶エングラム」と呼ばれる細胞群に物理的に保存されることを証明しています。「そこでヒトのAD患者と同様の神経変性を加齢に伴って示すADマウスでは、記憶エングラムが正常に形成されているのか、それを人為的に活性化したらどうなるのかを直接調べようと考えた」と研究チームのディーラジ・ロイは振り返ります。

注3) 平成26年厚生労働省患者調査

研究手法と成果

研究チームは、ヒトのAD患者由来の遺伝子変異が導入されたADマウスを用いました。普通のマウスを実験箱Aの中に入れ弱い電流を脚に流すと、マウスはこの嫌な体験の記憶を形成し、翌日、同じ箱Aに入れられるとその記憶を思い出して「すくみ」ます。7カ月齢のADマウスは、嫌な体験をしてから1時間以内であれば、箱A内ですくみますが、翌日になると、もうすくみません。つまりこのマウスは、怖い経験の記憶を作ることはできますが、24時間後にそれを想起することができなくなっていると考えられます(図1、テスト1)。そこでロイらは、ADマウスが箱Aで嫌な体験をしている最中に活動した記憶エングラム細胞を、特殊な遺伝学的手法を用いて標識しました。嫌な体験の翌日、箱Aに入れてADマウスがすくまないことを確認してから(図1、テスト1)、全く別の実験箱Bに入れ、標識したエングラム細胞群を青色光により活性化すると、ADマウスはすくみました(図1、刺激)。

この結果は、ADマウスにおいても記憶エングラムは形成されているが、その記憶エングラムを正しく想起できないことから記憶障害が引き起こされている可能性を示唆しています。

研究チームはさらに、このADマウスにおける記憶想起の障害が、神経細胞同士をつなぎ、その情報伝達の効率を左右するシナプスが形成されるスパインという構造の減少と関連していることを突き止めました。シナプスは何度も刺激されると増強されてスパインも増えます。そこで研究チームは、シナプスを増強することでADマウスの記憶想起の障害を回復させられるのではないかと考えました。

そこで、もともと嫌な記憶と結びついていた実験箱Aに入れながら、標識しておいたADマウスの記憶エングラムへの入力を青色光によって人為的に何度も活性化させ、シナプス増強[6]を起こさせました。すると予想通り、シナプス増強したADマウスは、2日後に箱Aに入れられると、箱Aという自然な手がかりだけで嫌な記憶を思い出してすくむようになりました(図2)。

興味深いことに、実験箱での嫌な記憶に対応した特定の記憶エングラムへの入力のみを刺激した場合で自然な手がかりによる記憶の回復がみられますが、海馬への入力全体を刺激しても記憶は回復しませんでした。このことは、ADマウスにおける特定の記憶の回復は、対応する記憶エングラム特異的な刺激が不可欠であることを示しています。

今後の期待

「少なくとも、AD病初期の患者の記憶は失われているのではなく、思い出すことができないだけなのかもしれないのです。初期の患者には記憶を保持する細胞が維持されているというのであれば、将来、これらの細胞から記憶を取り出す技術が開発されれば、障害を軽減できるかもしれません」と利根川センター長は言います。

しかしこの研究結果が、直ちにこの病気の治療法の開発に結びつくわけではありません。この研究が示すように、記憶エングラムが形成される海馬への入力全体を刺激しても、おそらく記憶の回復は見込めないでしょう。そのため、例えば現在精神疾患への応用が期待されている経頭蓋磁気刺激法(TMS)[7]で海馬を刺激しても、AD病の患者さんの記憶を回復させることは難しいだろう、と利根川センター長は考えています。

一方で、AD病の記憶障害のメカニズムの一端を動物モデルにおいて明らかにしたことで、初期AD病におけるスパインの減少という新たな病態と記憶障害の関連の可能性を示しました。今回研究で用いたADマウスにおいて、アミロイド斑[8]と呼ばれる毒性を持つ異常タンパク質の蓄積は、7ヶ月齢ではまだ始まっていません。今後、アミロイド斑の蓄積以前に起こる異常を解明することで、AD病をごく初期段階で治療あるいは予防する方法を開発できるかもしれません。そのような研究の標的の一部を同定したという意味で、本研究成果が今後のAD病治療・予防法の開発に大きく貢献することが期待できます。

原論文情報

  • Dheeraj S. Roy, Autumn Arons, Teryn I. Mitchell, Michele Pignatelli, Tomás J. Ryan and Susumu Tonegawa, "Memory retrieval by activating engram cells in mouse models of early Alzheimer’s disease", Nature, doi: 10.1038/nature17172

発表者

理化学研究所
脳科学総合研究センター 理研-MIT神経回路遺伝学研究センター
センター長 利根川 進 (とねがわ すすむ)

利根川進センター長
ディーラジ・ロイ

利根川進センター長と研究チームのディーラジ・ロイ(MIT 博士課程)

お問い合わせ先

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Tel: 048-467-9757 / Fax: 048-467-9683
pr[at]brain.riken.jp(※[at]は@に置き換えてください。)

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補足説明

  1. アルツハイマー病モデルマウス(ADマウス)
    ヒトの家族性の若年性アルツハイマー病で同定された遺伝子変異が導入された遺伝子改変マウス。アルツハイマー病では、脳の神経細胞外にできるアミロイド斑や神経細胞内に生じる神経原線維変化がみられるが、同様の組織病変がモデルマウスの脳組織でも観察されることが報告されている。
  2. 光遺伝学
    光感受性タンパク質を、遺伝学を用いて特定の神経細胞群に発現させ、その神経細胞群に局所的に光を当てて活性化させたり、抑制したりする技術。この研究ではChR2(チャネルロドプシン2)という、光照射により神経細胞の活動が誘発される光感受性タンパク質を用いている。
  3. 記憶エングラム細胞を特殊な遺伝学的手法を用いて標識
    神経が活動するとその発現が誘導される性質の遺伝子(この研究では、c-fos遺伝子)の調節領域と標識する期間を限定させる特殊な誘導システム(Tet-offシステム)を用いて、実験者が標識したい期間に活動した神経細胞でのみ、特定の遺伝子(この場合は光感受性タンパク質遺伝子ChR2)を発現させることができる。
  4. シナプス
    神経細胞とそれがつながる相手側の神経細胞との間にある間隙で、神経伝達物質とその受容体により、化学的に情報の伝達が行われる。
  5. スパイン
    樹状突起スパインとも呼ばれる。神経細胞の樹状突起から出ている構造で、他の神経細胞からの入力を受信している。このスパインが増えたり減ったりすることで、シナプスが増強されたり減弱したりするとされている。
  6. シナプス増強
    神経細胞同士をつなげるシナプスにおいて、ある神経細胞が活動した直後にそれがつながる別の神経細胞の活動が起きることが繰り返されると、その2つの神経細胞の間のシナプスは増強されるという現象。
  7. 経頭蓋磁気刺激法(TMS)
    頭蓋骨の上から急激な磁場の変化を与えることにより、弱い電流を脳組織内に誘起させ、脳内の神経細胞群を活性化させる非侵襲的な刺激法。
  8. アミロイド斑
    加齢によってアミロイドβと呼ばれるタンパク質が異常結集して形成される。老人斑とも呼ばれる。AD病の原因病変の1つという説がある。

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光刺激で復元するADマウスの記憶

図1 光刺激で復元するADマウスの記憶

マウスは箱Aの中で脚に弱い電気刺激を与えられ、嫌な体の記憶を形成する(学習)。この間、活動した神経細胞群を標識する。24時間後、箱Aに入れられると対照群のマウスは嫌な記憶を思い出してすくみ反応を示す(テスト1、紫)。これに対し、ADマウスでは記憶障害のため、すくみ反応が顕著に減少する(テスト1、緑)。さらに24時間後、異なった箱Bの中で、標識しておいた記憶エングラム細胞を20Hzの青色光の照射により活性化すると、どちらのグループも照射している間(On)すくみ反応を示す。さらに48時間後に再び箱Aに入れて、最初の記憶をテストすると、ADマウスでは記憶障害が認められた(テスト2、緑)。

シナプス増強で復元されるADマウスの自然な手がかりによる記憶

図2 シナプス増強で復元されるADマウスの自然な手がかりによる記憶

ADマウスを箱Aに入れて嫌な体験の記憶を標識し、24時間後に再び箱Aに入れると、記憶障害により「すくみ反応」はみられなかった(テスト1)。さらに24時間後、一部のマウスには標識されたエングラム細胞のシナプスが増強されるよう、青色光照射により繰り返し刺激をした(100Hzの青色光での刺激を10回与えた)。48時間後、再び箱Aに入れてすくみ反応を観察すると、光刺激によるシナプス増強を行ったグループ(ADマウス(光刺激によるシナプス増強プロトコールあり)、緑)でのみ、箱Aに対しすくみ反応を示した(テスト2)。

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