【神経科学トピックス】
方位選択性の神経活動非依存的な初期形成と、神経活動に依存した再編性

九州大学 医学研究院 分子生理学教室
大学院生(博士課程)    萩原賢太

大脳皮質視覚野の神経細胞は、特定の傾きをもつ視覚入力に反応する性質を示します。それは方位選択性と呼ばれ、視覚情報処理の根幹をなすと考えられていますが、どのように形成されるのかはわかっていません。今回我々は、方位選択性の初期形成は神経活動に依存せず、引き続き起こる最適方位の再編成は活動に依存することを明らかにしました。

方位選択性はその発見以来、性質自体が調べられるとともに、大脳における情報処理機構の機能発達を調べるよいモデルとなってきました。しかし、方位選択性が動物の成長過程でどのように形成されるのかは依然としてよくわかっていません。また、各細胞の最適方位(もっともよく反応する傾き)がどのように決まっているのかも同様に大きな謎でした。これまで、視覚系に限らず感覚系の神経回路の発達において神経細胞の活動が重要であるという報告が多数なされており、方位選択性の発達に関してもその関与が考えられてきましたが、胎生期から神経活動を操作するという技術的な困難さから十分な検証はこれまでなされていませんでした。
  今回これらの疑問にこたえるべく、同一個体中の一部の細胞の神経活動を時期特異的に抑制するため、Kir2.1というカリウムチャネルを子宮内穿孔法とよばれる技術によって胎児期のマウスの視覚野に発現させました(図A)。Kir2.1を発現した細胞は、活動電位を発生することができない(活動が抑制される)ことが期待されます。実際、この操作により生後発達期の神経活動が抑制されることを、生きた動物から個々の神経細胞のレベルで活動を記録することのできる2光子カルシウムイメージング法によって確認しました。次に、Kir2.1によって活動を抑制されたまま成長した神経細胞の方位選択性の初期形成と最適方位決定の活動依存性を調べるため、成長後にKir2.1の発現を抑えて活動を観察できるようにした上で、2光子カルシウムイメージング法を行いました。すると神経活動を抑制されたまま成長した神経細胞であっても正常な方位選択性が形成されていることが明らかになりました(図B)。しかし一方で、神経活動を抑制されたまま成長した個体では、最適方位の分布が幼若期の個体にみられる分布と同様の偏りを示し、未発達な状態のままであることがわかりました。すなわち、成体でみられるように最適方位の分布が一様になるためには神経活動が必要であることが示されました(図C)。以上を合わせて考えると、神経細胞の機能発達は、神経活動に依存しない初期形成と、活動依存的な再編性の2段階にわけられることが示唆されました(図D)。
  今回の結果は、大脳皮質の機能発達における神経活動の重要性を示すとともに、その初期形成にどのような活動非依存的メカニズムが不可欠なのかという新たな問題を提起しており、さらなる研究が期待されます。

Neuronal activity is not required for the initial formation and maturation of visual selectivity
Kenta M. Hagihara, Tomonari Murakami, Takashi Yoshida, Yoshiaki Tagawa and Kenichi Ohki
2015, Nature Neuroscience, 18, 1780–1788

<図の説明>
(A)
Kir2.1を子宮内穿孔法によりマウス視覚野の細胞に発現させることで、生前から神経細胞の活動を抑制した。また、どの細胞がKir2.1を発現しているかがわかるように、赤色蛍光タンパクを同時に発現させた。
(B)
Tet-offシステムと呼ばれる発現コントロールシステムを使うことによって、成長後にKir2.1の発現を抑え、その状態で2光子カルシウムイメージングを行った。Kir2.1を発現していた細胞(右図のピンク色の細胞1, 2)も方位選択性を示している。
(C)
Kir2.1を発現するマウスでは最適方位の分布が、開眼直後にみられる未熟な状態の分布と同様、横向き方位に偏っている。
(D)
神経活動非依存的・依存的な2段階の発達モデル
<研究者の声>
今回我々が明らかにした神経活動に依らない方位選択性の発見、および活動依存的な再編性に関しては、異なる手法を用いて同様の結果を示すなどして十分な検証を行うことができたと考えているが、その分投稿から受理まで2年近くを要した。その間コンペティタからのプレッシャーもあり、後半のリバイズ実験で十分に納得のいく実験デザインが組めなかったのは少々心残りである。「論文を通す」ための精神力・戦闘能力は今回の仕事により磨くことができたと思うので、今後は(できればスクープなど気にせず!)ハイインパクトかつオリジナリティーの高いバイオロジーをじっくり丁寧に発信していける土台となるような考え方も身につけていければと思う。
<略歴>
2013年: 九州大学 医学部医学科卒業
同年〜: 九州大学 医学研究院博士課程進学
2015年〜: スイス連邦 Friedrich Miescher InstituteにてVisiting Student
(Andreas Lüthi研究室)