杉拓磨 物質－細胞統合システム拠点（iCeMS＝アイセムス）特任助教（科学技術振興機構さきがけ研究者）らは、単純な神経系をもつ線虫の記憶を迅速に数値化する装置を開発し、動物が不快な刺激に馴れる際の仕組みの一端を解明しました。この成果は、認知機能障害の原因解明やストレス障害の治療法の開発につながると期待されます。
本研究成果は、11月17日の週に科学誌「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」電子版に公開されました。
研究者からのコメント
杉特任助教
今回、メカニカルな物理刺激の馴れについて、シンプルな実験系を整備することに成功し、細胞レベルの記憶の痕跡を同定することができました。次は、分子レベルの実験から、同定された細胞がどのように記憶を保持しているのかを理解することが最重要課題です。また、近年、メカニカルな物理刺激への応答反応に関する研究は、メカノバイオロジーと呼ばれ、注目されています。この分野は黎明期にあり、未知のことが多く残されていますが、本研究成果によって、今後、解明に向けた研究が加速するものと期待されます。
さらに、今後の研究から、記憶の分子的実体に迫ることにより、認知機能障害やストレス体験がもととなるPTSD（心的外傷後ストレス障害）などの疾患の理解と、その分子標的薬の開発につながることが期待されます。
概要
動物は、先天的に嫌いで、逃げてしまうような刺激であっても、刺激にさらされ続けると馴れてしまい、次に同じ刺激が訪れた際には行動を変えます。馴れるためには、過去に体験した刺激を学習し、記憶する必要があります。そのため、この「馴れ」の現象は、脳神経科学の分野において、古くから、学習・記憶のメカニズムを解析するモデル系の一つとされてきました。しかし、膨大な数の神経細胞から構成される脳神経系で、「馴れ」に関わる神経細胞を見つけ出し、その細胞だけを特異的に分子レベルで解析することは容易ではありません。また、学習・記憶の度合いを数値化して比較できるシンプルな実験系がほとんどないことから、解析実験に難がありました。
一方、体長わずか約1mmの線虫 C.エレガンス（Caenorhabditis elegans） も、他の動物同様、体験した刺激を学習・記憶する能力があり、先天的に嫌いな刺激でもさらされることで馴れます。そこで、杉特任助教は、この線虫の馴化学習・記憶現象に着目し、馴れる前後の行動量を指標として記憶を数値化することを試みました。そして、全自動で迅速に数値化可能な装置の開発に成功し、馴れる前後の行動量を指標に記憶を数値化して比較できるようになりました、また、記憶保持の目印分子CREBのリン酸化を細胞特異的に阻害することで、嫌いな刺激に馴れる際、刺激の記憶に関わる二つの神経細胞を発見しました。そして、これら二つの神経細胞の性質から、馴れた状態を安定的に維持することを可能にする神経回路モデルを提案しました。
線虫の遺伝子の約40％はヒトの遺伝子と同じであり、今回、明らかになった仕組みをさらに解析することで、ヒトの認知機能を解明するための手がかりが得られる可能性があります。
図：線虫 C.エレガンス の物理的な刺激の馴化学習・記憶現象と神経回路
（上段・左）線虫は、通常、接触刺激や振動などの物理的な刺激を感じると、忌避するように後ずさりする。
（上段・右）6時間程度断続的に刺激を与え続けると、この刺激に馴れ、18時間後に再び刺激を与えても顕著に後ずさりする量が減少、もしくは消失する。そこで、馴れる前後の移動距離を数値化して比較できれば、線虫の記憶を定量化できると考えた。
（下段）本研究から、図の神経回路において、AVAとAVDの二つの介在神経細胞が、「馴れ」の記憶の保持に関わることが明らかになった。図の神経接続では、仮に、片方の細胞による記憶維持が損なわれても、他方の細胞の記憶維持が正常である限り、記憶は損なわれない。つまり、記憶が完全に損なわれるのは両神経細胞による記憶維持が異常になった場合のみであることから、記憶の維持がより頑強であるという利点がある。図のような神経接続パターンは哺乳類においてもよく見られることから、頑強な馴れの記憶の仕組みは哺乳類においても保存されている可能性がある。
詳しい研究内容について
書誌情報
[DOI] http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1414867111
Takuma Sugi, Yasuko Ohtani, Yuta Kumiya, Ryuji Igarashi, and Masahiro Shirakawa
"High-throughput optical quantification of mechanosensory habituation reveals neurons encoding memory in Caenorhabditis elegans"
PNAS published ahead of print November 17, 2014
掲載情報
- 科学新聞（12月5日 1面）に掲載されました。
