東北大,脳内環境の光ファイバーでの読み出しに成功

東北大学の研究グループは,蛍光センサータンパク質をグリア細胞に発現させたマウスに対して,光信号解析の新手法を使うことで,脳内で生じる素過程を分離し,脳内グリア細胞内のカルシウム,pH,脳血流量の変化を調べることに成功した(ニュースリリース)。

これまで,脳波を調べることで脳の病気を診断し,心の状態を推測する研究が行なわれてきた。一方,脳の半分を占めるグリア細胞は電気的信号を発生しないため,従来,脳内情報処理には関わらず,単に神経細胞の間隙を埋める存在であると考えられてきた。

今回研究グループは,光ファイバーを用いて動物の生体脳の情報を読み取る方式(ファイバーフォトメトリー法)の新しい方法を開発し,グリア細胞の活動がてんかんの発症に重要な役割を果たしていることを明らかにした。

光ファイバーを伝わる蛍光には複数の信号が混じり合っているため,従来のファイバーフォトメトリー法では,脳内環境の変化を反映した正しい情報を引き出せていなかった。今回,蛍光センサータンパク質をグリア細胞に発現するマウスに対して光信号解析の新手法を使うことで,脳内で生じる素過程を分離し,脳内グリア細胞内のカルシウム,pH,脳血流量の変化を調べることに成功した。

さらに,この新開発のファイバーフォトメトリー法を使い,発作を繰り返すごとに,てんかんが増悪化していくのかを解き明かすことに取り組んだ。脳神経活動に必要なエネルギー供給を支える視床下部のグリア細胞が,てんかんにおける過剰神経興奮の度合いを左右する可能性を考え,側頭葉てんかんの発振源として知られる海馬を電気刺激して痙攣発作を誘導して,視床下部のグリア細胞の活動や局所血流を光計測した。

すると,視床下部グリア細胞のカルシウムは上昇,pHはアルカリ化,血流はあまり変化しないことが分かった。ところが,海馬電気刺激を数日にわたり繰り返すと,次第に痙攣発作は増悪化するとともに,グリア細胞の一過性のアルカリ化に続く酸性化と局所血流量の増加反応が現れるようになった。

グリア細胞の酸性化は,グリア細胞からの興奮性神経伝達物質グルタミン酸の放出につながることが示唆されている。グリア細胞を介した過剰興奮のフィードバック回路が働くようになり,過度な痙攣発作が生まれる可能性が考えられた。また,てんかん突然死を詳しく解析したところ,突然の脳波停止とグリア反応・血流停止の順序が明らかになり,生死を分ける脳内現象を観測することができた。

研究グループは,ファイバーフォトメトリー法が今後の生体脳機能の光計測におけるグローバル・スタンダードとなり,研究の発展にあたって強固な礎となるとしている。

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