【神経科学トピックス】
「貯蔵された記憶を可視化・消去する新技術を開発」
記憶のメカニズム解明に前進

【神経科学トピックス】

「貯蔵された記憶を可視化・消去する新技術を開発」
記憶のメカニズム解明に前進

所属 東京大学・院・医・構造生理部門
特任講師  林(高木)朗子     

われわれが記憶する時には、神経細胞上の小さな突起構造であるスパインが新生されたり増大します。そこで、新生・増大スパインだけを特異的に標識・操作したところ、覚えた記憶が消失しました。これは、スパインが記憶の基盤を担っていること、そして記憶が貯蔵されているスパインを可視化・操作する新技術を確立したことを意味します。

 大脳皮質の樹状突起スパイン(以下スパイン)は、学習・記憶に応じてその形態・サイズが劇的に変化し、それに伴いシナプス伝達効率が変化します。スパインは興奮性シナプスの大部分を形成するので、スパインが新しく形成されたり、またその大きさが変わることにより、どの脳神経回路にどの程度の電気信号が流れるかが大きく左右されます。それゆえに、スパインが脳神経回路の記憶素子と考えられ、学習・記憶の細胞基盤であると推測されてきました。しかし、動物の脳内で記憶に関連するスパインを標識し、さらには操作する手法が無かったため、スパインと学習・記憶との関連は直接的には示されていませんでした。
 そこで、我々はPaRac1蛋白質という光感受性蛋白質に注目しました。この蛋白質は、青色光を吸収すると蛋白質の立体構造が変化し、スパインを収縮させます(図A)。そしてこれを増大・新生したスパインだけに集積するように分子デザインしたのが記憶プローブです。実際に、スパインが増大すると(図B、矢頭)、記憶プローブが長期増強スパインに集積することを確認しました。
 次に、青色光を与えることで生きた動物の脳内でスパインを人為的に操作できるかを確認しました。大脳皮質を広範囲に光照射するための光ファイバーを、両側の一次運動野表面に留置したのち(図C)、ロータロッドという運動学習課題をマウスに与えます。学習後に記憶プローブで標識されたスパインは、光照射により退縮し(図C、右図、挿入拡大図2 )、標識されていなかったスパインは光照射してもその大きさは変化しませんでした(図C、右図、挿入拡大図1)。言いかえれば、学習・記憶により長期増強したスパインだけを収縮させることが可能になりました。
 では、記憶・学習により長期増強したスパインだけを収縮させるとどんな行動の変化がマウスに見られるでしょうか。それを確かめるために、両側の一次運動野に記憶プローブを遺伝子導入した群、対照実験として記憶プローブを導入しないマウス群(コントロールプローブ導入マウス)を用意し、どちらの群もロータロッド運動学習後に青色光の照射を行いました。コントロール群では光照射による影響は受けませんでしたが、記憶プローブを導入したマウス群は、獲得した運動学習記憶を光照射により失うことがわかりました。これらの研究により、スパインが学習・記憶の基盤を担っていること、そしてこれらのスパインの分布、すなわち学習・記憶が貯蔵されている場所を可視化・操作する新技術が確立出来たことを意味します。

Labelling and optical erasure of synaptic memory traces in the motor cortex. Akiko Hayashi-Takagi (CA), Sho Yagishita, Mayumi Nakamura, Fukutoshi Shirai, Yi Wu, Amanda L. Loshbaugh, Brian Kuhlman, Klaus M. Hahn, and Haruo Kasai (CA), Nature, 2015, Vol 525, 333-338.

<図の説明>
(A)PaRac1の模式図。暗所ではPaRac1は下流分子と結合出来ないが、青色光の照射により構造変化をおこし、下流分子と結合、スパインを収縮させる。
(B)グルタミン酸アンケージング法によりスパインを人工的に増大させたところ(矢頭のスパイン)、増大スパインに記憶プローブが集積した。
(C)青色光刺激の模式図。両側第一次運動野に光ファイバーを留置し、広範囲の神経細胞を刺激出来るようにしたもの(左上図)。記憶プローブで標識されていたスパインは、光照射により退縮し(右図、挿入拡大図2)、標識されていなかったスパインは光照射しても収縮しない(右図、挿入拡大図1)。光照射に対するスパインの大きさを、記憶プローブを発現するスパイン(緑丸)と発現しないスパイン(白丸)ごとにプロット(左下図)。青色光照射が、記憶プローブを発現するスパインを特異的に収縮させることが分かる。
(D)ロータロッド運動学習。マウスは両側の一次運動野に記憶プローブを遺伝子導入した群、対照実験として記憶プローブを導入しないマウス群(コントロールプローブ導入マウス)を用意し、どちらの群もロータロッド運動学習後に青色光を照射した。マウスは、運動学習前、学習後、光照射後の3点でロータロッド運動能力を測定。コントロール群では光照射による影響は受けないが、記憶プローブを導入したマウス群は、獲得した運動学習記憶を光照射により失うことが示された。

<研究者の声>
脳高次機能におけるスパインの役割を調べるために、スパインの人為操作に挑戦しました。この研究は、さきがけ(村上領域)でサポートされていたため、領域会議で発表しなければならず、スパインを非特異的に操作するその手法の汚さを、ほとんど袋叩き状態で怒られました。皆さまの御指摘・御助言は非常に理にかなっており、何とか特異的な集団のスパインを操作出来ないかと100以上のDNAコンストラクトを作成し、その1つが記憶プローブです。ほんの少しの遺伝子配列が信じられないほど大きな変化をおこしうる分子生物学の魔力に益々取り憑かれています。村上領域と河西研究室の皆さまには感謝の気持ちで一杯です。

<略歴>
1999年:群馬大学医学部、卒業、学士(医学)
1999~2002年:群馬大学附属病院、精神科、研修医
2001~2007年:大和会西毛病院、非常勤医師
2005年:群馬大学・院・医、終了、博士(医学)
2005~2007年:理研、精神疾患動態研究チーム、研究員
2007~2010年:Johns Hopkins University, Dept. Psychiatry、ポスドク
2010年~2014年:JST「さきがけ(村上領域)」研究員(兼任)
2010年~:東京大学・院・医・構造生理部門、助教(2014年より特任講師)
2015年~:JST「さきがけ(小田領域)」研究員(兼任)