【神経科学トピックス】
新生児の大脳皮質で神経回路が成長する様子を観察

【神経科学トピックス】
新生児の大脳皮質で神経回路が成長する様子を観察

国立遺伝学研究所 形質遺伝研究部門 助教 水野秀信

 哺乳類の脳神経回路ができる機構を明らかにするためには、神経回路が劇的に発達する産まれたばかりの赤ん坊の脳の内部を生きたまま観察することが重要です。私たちは、生きた新生児マウスの大脳皮質の神経回路を観察するための、新しい手法を開発しました。1つは、スーパーノバ法と名付けた大脳皮質神経細胞を明るく、まばらに赤色蛍光蛋白質で標識する方法です。もう1つは、視床皮質軸索(後述)が緑色蛍光蛋白質で標識されたトランスジェニックマウスの作製です。また、二光子顕微鏡の脳観察法を新生児マウスに適用できるよう改良しました。
 今回の研究では、マウス大脳皮質体性感覚野のヒゲ感覚入力を受け取る領域をモデルとして、脳神経回路の形成過程の解明に取り組みました。この領域は、げっ歯類で特に発達しており、第4層にそれぞれのヒゲに対応したバレルと呼ばれる特徴的な組織学的構造を持っていて、1本のヒゲ入力を伝える視床皮質軸索の末端は、1個のバレルの内側に集まります。一方、視床からの入力を受け取る第4層星状ニューロン(バレル細胞)はおもにバレルの縁に位置し、その樹状突起はバレルの内側に配置して視床皮質軸索とシナプスを形成します。この神経回路により、マウスは1本1本のヒゲからの情報を区別できます。しかし生きた動物において、どのような過程やメカニズムによりバレル細胞の樹状突起がバレル内側に配置するかは不明でした。
 実験では、生後5日目の新生児マウスの同じバレル細胞を、18時間にわたり観察しました。バレル細胞の樹状突起は伸び縮みを繰り返しながら、全体として、視床皮質軸索の末端に向かって伸びました。一方、NMDA型グルタミン酸受容体(NMDA受容体)の働きを抑えたバレル細胞では、樹状突起の伸び縮みは異常に激しくなりました。また、視床皮質軸索の方向と無関係な方向に伸びました。
 これらの結果から、新生児大脳皮質の神経細胞は、樹状突起を活発に伸び縮みさせながら、シナプスを作る相手を探していると考えられます。また、NMDA受容体は正しい軸索とシナプスを作った樹状突起を安定させることで、正常な神経回路形成に働いていると考えられます。
 今回、新生児マウスの大脳皮質で神経回路が正しく作られる過程と正しく作られない過程の観察に成功しました。私たちは現在、細胞形態のより長期にわたるイメージングや、神経活動のイメージングなどに取り組んでいます。こうした研究により、哺乳類の新生児の脳神経回路がどのように形成されるかを明らかにしたいと考えています。

NMDAR-regulated dynamics of layer 4 neuronal dendrites during thalamocortical reorganization in neonates.
Mizuno H, Luo W, Tarusawa E, Saito YM, Sato T, Yoshimura Y, Itohara S, Iwasato T.
Neuron. 2014; 82(2):365-379.

<図の説明>
視床皮質回路形成におけるバレル細胞樹状突起のダイナミクスと、そのNMDA受容体による制御
 1本のヒゲからの入力を伝える視床皮質軸索の終末は、1個のバレルの内側に集積する。またバレル細胞はバレルの縁に配置し、樹状突起をバレルの内側に広げ、視床皮質軸索とシナプスを形成している。本研究により、新生仔期において、正常バレル細胞の樹状突起はバレルの内外で伸縮しながら、全体として内側に枝を広げることが明らかになった(左図)。また、NMDA受容体を欠損したバレル細胞は、バレルの内外でさらに大きく伸縮をしながら全体として両側に枝を広げることが明らかになった(右図)。

<研究者の声>
 今回の研究では、産まれたばかりのマウスの脳を18時間にわたり観察しました。マウスが元気に成長するよう世話をして、無事次の日の早朝に二光子観察できた時の安堵感が印象に残っています。スーパーノバ法の条件検討にあたり、実用性を求めるならシンプルにすべきと考え、一度できたシステムを作り直した結果、より良くなったことも思い出になっています。二光子観察を始めるにあたり多くの先生方に助言を頂いたこと、また共同研究者の先生方や研究室の方に助けて頂いたことに、心より感謝申し上げます。

<略歴>
2004年名古屋大学理学部生命理学科卒業。2009年京都大学大学院理学研究科博士課程修了、博士(理学)。同年より国立遺伝学研究所形質遺伝研究部門・助教