MENU

Article introduction

 

 

”Optogenetic recruitment of spinal reflex pathways from large-diameter primary afferents in non-transgenic rats transduced with AAV9/Channelrhodopsin 2” 


・Author:Kubota S, Sidikejiang W, Kudo M, Inoue K, Umeda T, Takada M, Seki K
・Scholarly journal:Journal of Physiology, doi:10.1113/JP278292
・URL:https://physoc.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1113/JP278292


国立精神・神経医療研究センターモデル動物開発研究部の窪田慎治研究員、Sidikjan Gupur研究員、および関和彦部長と京都大学霊長類研究所(所長:湯本貴和)神経科学研究部門統合脳システム分野の井上謙一助教と高田昌彦教授らの共同研究グループは、光遺伝学(光によって活性化するタンパク分子を遺伝子導入技術を用いて特定の神経細胞に発現させ、その神経細胞の活動を光刺激により制御する技術)を用いて、触覚や筋感覚に関わる感覚神経の活動を選択的に活性化させることに成功しました。

 私たちは運動することによって、様々なものを感じることができます。物体の温度、形状など身体の外部の情報だけでなく、自分が動いているということも感じることができます(自己運動感覚)。これは、皮膚や筋肉にあるセンサーが、身体の外部(温度・圧力・摩擦力など)や身体の内部(筋肉の収縮度、動き、腱にかかっている力)の状態を感知し、脳に伝達されているからです。身体外部の感覚は私達が知覚することができるため、心理学的な実験などで神経機構の多くがすでに解明されています。一方、身体内部の状態は通常、個別に知覚することができないため、センサーからの感覚情報が私達の行動制御に果たす役割は多くが不明のままでした。この感覚機能が障害された患者さんは、身体の動きの制御が不可能になりますから、その重要性は分かっていましたが、それを検証する方法がありませんでした。なぜなら自己運動感覚は自分の動きで引き起こされるため、温度などのように実験的に操作することが不可能と思われてきたからです。本研究では、この自己運動感覚を実験的に操作する方法の開発に、世界で初めて成功しました。

 本研究の成果により、私たちの巧みな運動の制御を可能にしている神経機構の理解や運動の感覚関わる感覚神経の機能障害に対する治療法の開発が進むことが期待されます。具体的には、脊髄損傷や脳損傷などで鈍化した触覚を正常レベルに戻すなど、新たな遺伝子治療に展開することが期待されます。

本研究成果は、欧州現地時間2019年8月28日にJournal of Physiologyオンライン版に掲載されました。

 

■研究の背景

 パラリンピックの1種目にブラインドサッカーがあります。選手たちは全盲でありながら巧みにボールを操って、パスやシュートを行うことができます。これは、視覚情報がなくても皮膚や筋に多数存在するセンサー(関節の位置や角度を伝えるセンサー)から脳に送られてくる情報をもとに、自分の手足の時々刻々の位置や変化を瞬時に認知し(自己運動感覚)、それによって自分の運動をさらに制御するという繰り返しによって実現しています。これはパラリンピック選手に特別なことではなく、私達が身体を動かすときに無意識に用いられている大切な脳の機能です。このような自己運動感覚は新しい運動技能を習得する上で重要な役割を果たしますし、神経障害などによりこの機能が障害されると、協調的に手足を動かすことが困難になります。

 このように自己運動感覚の重要性は広く認知されていますが、神経科学的な証明はされていませんでした。そのためには、感覚情報を人為的に変化させてその際の神経活動を調べる必要がありました。しかし、自己運動感覚は運動に付随して身体内で自動的に生まれるため、外的に操作することが不可能だったからです。私達は、これに挑戦しようと考えました。

 これまでに、運動に関連した感覚を活性化する手法としては、神経細胞の種類やそれが伝える感覚の種類に関わらず、ある部位の神経全体を電気で刺激する方法が広く用いられていました。しかし、それでは他種類の感覚神経が同時に刺激されるため、自己運動感覚のみを活性化したり、過度な活動を抑制したりすることは困難でした。

 私たちは、電気ではなく、光で末梢感覚神経の活動を制御できないかと考えました。最近、光を用いて神経細胞の活動を制御する「光遺伝学」が様々な生命科学の分野で用いられています。これは、標的とする神経細胞のみに光感受性タンパク分子を遺伝子導入し、光刺激によりその神経細胞の活動を自在に制御するという画期的な方法です。私たちはこの方法を自己運動感覚に応用しようと考えました。そのためには、脊髄後根神経節にある異なった種類の感覚神経細胞の中から、自己運動感覚を伝える神経細胞のみに遺伝子が導入され、光刺激に対して十分に応答するような最適な条件を探索しなければなりません。私たちは、様々な条件の組み合わせを網羅的に調べることで、自己運動感覚に関与する神経細胞を標的に光感受性タンパク分子を遺伝子導入し、その神経細胞の活動を選択的に制御する手法を世界で初めて確立しようと試みました。

 

■研究の内容

 ラットの感覚神経細胞に遺伝子導入を行うため、蛍光タンパク遺伝子を組み込んだアデノ随伴ウイルス(AAV)ベクターを末梢神経(座骨神経)に注入しました(図1A)。AAVはそのタイプに応じて異なった組織や細胞に指向性を持つことが知られていますが、今回はAAV6とAAV9を用いました。すると、目的どおり感覚神経細胞に遺伝子導入されていることが確認されました(図1B)。AAV6およびAAV9それぞれの指向性を確認した所、AAV6では小型の感覚神経細胞に指向性を持ち、AAV9は中型から大型の感覚神経細胞に指向性を持つことが確認されました(図1C•D)。感覚神経細胞の中でも、小型の細胞は主に痛みなど痛覚に関与し、中型から大型の細胞は触覚や筋感覚に関与していることが知られています。したがって、AAVのタイプを選択することで、感覚の種類に応じて選択的に感覚神経細胞に遺伝子を導入することが可能であることが示されました。

 しかし、AAV9を用いて遺伝子導入した感覚神経細胞を光刺激しても、予想に反して神経細胞の反応を引き起こすことはできませんでした。つまり、AAVベクターは標的とする神経細胞に高い割合(80%以上)で感染しているにもかかわらず、そこに同時に導入されたはずの光感受性物質(チャネルロドプシン)を光で刺激しても反応が誘発できないのです。そこで、我々はウィルスベクター濃度と感染期間の組み合わせが光刺激反応に及ぼす影響について、多数の組み合わせを網羅的に調べました。すると、光遺伝子の末梢感覚神経細胞への導入には、ベクター濃度と感染期間について最適な組み合わせがあることを発見しました。その組合せ以外では、チャネルロドプシンの毒性が細胞に悪影響を及ぼしていることがわかったのです。この最適な組み合わせ条件を用いると、電気刺激に相当する神経活動が感覚神経細胞の軸索より記録されました。(図2)。光刺激に対する感覚神経細胞の応答の特徴から、主に触覚や筋感覚を支配する神経細胞が選択的に刺激されていると考えられました。そして、誘発された感覚信号は、脊髄内の神経回路を介して運動神経を興奮させることが示されました(図3)。感覚情報は、末梢神経を介して伝導する感覚信号が脊髄から脳幹や大脳などに伝わり神経細胞を活動させることで触覚や筋感覚、すなわち運動の感覚として知覚されます。したがって、光刺激によって活性化された感覚信号は、これら運動に関連した感覚を選択的に活性化することが可能であることが証明されました。

 

■今後の展望

 触覚や筋感覚に関わる感覚神経細胞の活動を選択的に制御することが可能となることで、脊髄損傷や脳損傷に伴う機能障害の病態の理解並びに感覚障害に対する治療法への応用が期待されます。具体的には、運動に関連した感覚機能の低下により協調運動が阻害されている場合には、筋感覚などを活性化させることにより、運動機能の再獲得が促進される可能性があります。中枢神経損傷後に見られる痙縮と呼ばれる手足の不随意運動・筋肉のこわばりが見られる場合には、筋肉からの過剰な感覚入力を選択的に抑えることで、その症状を改善することが可能となります。触覚や筋感覚などの過剰な入力は、痛みの感覚神経の感度を高めることが指摘されているため、運動だけでなく疼痛治療にも発展する可能性があります。また、運動中に運動に関連した感覚神経細胞の活動を活性化させたり抑制することにより、我々がどのように運動の感覚を利用して身体を動かしているのかを明らかにすることが可能となります。

 今回我々が開発した手法を応用することにより、自己運動感覚に関わる感覚神経細胞への選択的遺伝子導入が可能になり、身体運動の制御に関する神経機構の研究に大きく貢献します。また、この感覚細胞腫選択的な遺伝導入や活動操作は、自己運動感覚以外への応用も期待されます。例えば、自己運動感覚を正常に保ったまま、痛み感覚のみを抑制するような、新たな慢性疼痛治療などに発展する可能性があります。
 

 

 

図1:感覚神経細胞への蛍光タンパク分子の導入とその導入効率
 

A)末梢神経に蛍光タンパク分子を組み込んだAAVベクターを注入することで、感覚神経細胞へ遺伝子導入を行う。B)感覚神経細胞の遺伝子導入例。感覚神経細胞(NeuN,中図)と神経細胞への遺伝子発現を表す蛍光マーカー(GFP, 左図)との重ね合わせにより、AAV6およびAAV9ベクターともに蛍光タンパク分子が神経細胞に導入されているのが分かる(右図,白矢頭)。C)遺伝子が導入された神経細胞のサイズの分布を見ると、AAV6では小さな神経細胞に多く遺伝子導入されているのに対して(三角印はAAV6の中央値)、AAV9はサイズの大きな神経細胞に多く遺伝子導入されている(矢印はAAV9の中央値)。D)感覚神経細胞をその細胞のサイズから小型、中型、大型とグループ分けを行うと、AAV9では大きな細胞に対する遺伝子導入効率が高いことが分かる。

 



 

図2:光刺激により誘発される感覚神経の活動
 

A)感覚神経細胞を光刺激により活性化させ、その活動を感覚神経の軸索で記録。B)光刺激強度に応じた感覚神経活動の例。感覚神経の活動は、光刺激に対する反応の特徴から主に触覚や筋感覚を司る感覚神経が活性化されていると考えられた。

 


 

図3:光刺激により誘引される脊髄反射活動
 

A)実験の説明図。末梢感覚神経を光刺激し、その刺激効果を運動神経で記録。運動神経で記録される神経活動は脊髄内での神経回路の活動を反映している。B)感覚神経を光刺激することにより、運動神経で興奮性電位が記録され(赤色波形)、その後、感覚神経を脊髄付近で切断し感覚信号を遮断することで、運動神経で記録された興奮性電位が消失することが確認された(灰色波形)。このことにより、感覚神経細胞を刺激することで、感覚神経からの信号が脊髄内の神経回路を活動させることが示された。

 

■用語解説 

脊髄後根神経節

末梢の感覚受容器からの信号を中枢に伝達する感覚神経細胞の集合体。温痛覚、触覚、筋感覚など異なった種類の神経細胞が集まる。感覚神経の軸索(細胞体から延びる細長い突起)が脊髄に入る手前に位置する。

光感受性タンパク質

自然界に存在する緑藻植物や古細菌から発見された、光に応答するタンパク質。神経細胞の細胞膜に移行することで標的とする神経細胞の活動を光刺激により制御することが可能となる。タンパク質の種類に応じて神経細胞を活性化させる働きを持つもの(チャネルロドプシン)と、抑制させる働きを持つもの(ハロロドプシンやアーキロドプシン)がある。

アデノ随伴ウイルス(AAV)ベクター

遺伝子治療への応用が期待される遺伝子導入ベクター(遺伝子の運び屋)の一つ。非常に弱い免疫反応しか引き起こさず、病原性は持たないとされている。神経細胞などに効率よく遺伝子導入でき、遺伝子発現が長期間持続するという特徴を持つ。また、AAVのタイプに応じてそれぞれ異なった組織に対する指向性を持つことが知られている。

 

 

 

”Decoding of muscle activity from the sensorimotor cortex in freely behaving monkeys”


・著者:梅田達也、小泉昌司、片貝祐子、齋藤亮一、関和彦
・掲載誌:NeuroImage, doi:10.1016/j.neuroimage.2019.04.045
・URL:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811919303313

<研究の背景>  

これまで、BMIの技術開発では、脳活動から読み取った運動の意図や筋活動の情報を活用して、運動障害をもつ患者さんが義肢や自身の筋肉の動きを制御することができるようになってきました。しかしながら、従来の脳活動から運動や筋活動の情報を解読する研究では、動物や被験者がいすに座って繰り返し腕のみを動かして行なわれていました。一方、BMI技術の目指すべきゴールのひとつとして、物理的な制約なく自由に動きまわった状態で自身の四肢や義肢を操ることがあげられますが、そのような自由に行動した状態で脳活動から筋活動の情報の解読を行った研究はありませんでした。また、実験室内で行なわれている腕の繰り返し運動で得られた知見が、自由に行動しているときの筋活動の情報の解読にそのまま当てはめることが可能なのかどうかも分かっていませんでした。 そのような中、近年、生体信号を記録し無線でデータを送信する装置の小型化が進み、自由に動き回っている動物や被験者の脳活動を記録することが可能となってきました。無線記録装置の技術的な向上を活かし、私たちは、多様な行動パターンを示す小型サルのマーモセットが飼育ケージ内で自由に動き回っているときの脳活動と筋活動を記録し、自由に行動している動物の脳活動から筋活動情報を解読することを試みました。

<研究の内容>  

本研究では、31~32箇所の広範囲の大脳皮質活動を記録することができるシート状の多電極アレイを用いて、3頭のマーモセットの一次体性感覚野・一次運動野・運動前野を含む感覚運動野より皮質脳波(頭蓋内から記録される脳波)を記録しました。また、皮質脳波と同時に、2~4個の腕の筋肉から筋活動を記録しました。  まず、サルにレバーを繰り返し引かせて、腕だけ動かしたときの皮質脳波と筋活動を記録しました。記録を行った感覚運動野は手足の運動に先立って活動し、運動や筋肉の動きに関連した活動パターンをしめします。そこで、その特性を利用し、脳情報デコーディング技術を用いて脳活動パターンから筋活動情報を解読しました。具体的には、一部のデータを用いて、脳活動パターンと筋活動パターンの関係性を表す計算式(デコーダー)を算出します(図1)。そして、別の記録データにおける脳活動を、算出されたデコーダーに当てはめて筋活動を計算します。この計算された筋活動が実際の筋活動に似ていると、脳活動から筋活動の情報を解読することができたとみなします。これまでの先行研究と同様に、私たちの研究においてもこの脳情報デコーディング技術を用いてレバー引き運動をしているときの皮質脳波から筋活動を高い精度で算出することに成功しました。続いて、飼育ケージ内で自由に動き回っているサルから皮質脳波と筋活動を無線記録しました。同様に脳情報デコーディング技術を用いて、自由に行動しているときの皮質脳波からも筋活動の情報を解読することに成功しました(図2)。  脳情報デコーディング技術の特徴として、筋活動情報を解読するのに必要な脳領域がわかることです。筋活動情報の解読に最も重要である脳領域を調べてみると、レバー引き運動・飼育ケージ内での自由行動のいずれにおいても、一次運動野の活動が筋活動情報の解読に対して最も重要度が高いことがわかりました(図3)。一方、筋活動情報の解読に必要な領域を調べてみると、レバー引き運動と比べて、飼育ケージ内での自由行動では、より広範囲の領域の脳活動が筋活動の解読には必要であることがわかりました(図3)。このことは、レバー引き運動中の皮質脳波と筋活動の関係性と、自由行動中の皮質脳波と筋活動の関係性は、似ている特性を示すものの完全に一致するものではないことを示唆しています。 



 

図1:脳情報デコーディング技術の具体的な方法
一部のデータを用いて、皮質脳波のパターンと筋活動パターンの関係性を表す計算式(デコーダーW)を算出します。そして、別の記録データにおける皮質脳波を、算出されたデコーダーWに当てはめて筋活動を計算(再構成)します。この計算された筋活動が実際の筋活動に似ていると、脳活動から筋活動の情報を解読することができたとみなします。




 
図2:自由に行動しているときの皮質脳波から筋活動の情報の解読例
サルはケージの中で、歩行や登り降り、ジャンプなどの行動を行います。その時の実際の肩と手の筋肉の活動を黒線で示しています。一方、皮質脳波から計算した筋活動を赤線で示しています。精度高く再現できていることがわかります。

 

図3:筋活動を解読にあたって脳の各部位の重要度
1つのマスが1つの脳の記録部位を示しています。筋活動の解読に当たって重要度を色で示しています(暖色系・赤色に近いほど重要度が高い)。レバー引き運動・自由行動ともに、最も重要度の高い部位は一次運動野に集まっています。一方、赤・茶色・オレンジで示される重要度が高い部位の数は自由行動のほうがレバー引き運動よりも多いことがわかります。

<今後の展望>
 自由行動中における皮質脳波と筋活動の関係性が、単純な繰り返しの運動における関係性と同じでないことは、従来の研究における実験室の環境での記録よりも、より実生活に近い環境で脳活動や筋活動を記録し解析することの重要性を示唆しています。飼育ケージにいるときの皮質脳波と筋活動を記録し解析する実験では、従来の実験室で行われていた実験のように動物に特定の運動を覚えさせる必要はありません。脊髄損傷や脳梗塞などの運動障害をもつ動物でも、飼育ケージ内である程度の運動を行うことができるならば脳活動と筋活動の間の関係性を調べることができます。すなわち、今回の研究で開発した自由行動時の脳活動から筋活動情報を解読する技術を運動障害をもつ動物に用いることで、運動障害のメカニズムをより深く調べることができるようになると考えられます。さらに、この技術を運動障害のある患者さんに活用することで、物理的な拘束のない自由に動き回れる状態で自身の四肢や義肢を操るような究極的なBMI技術の開発の足がかりとなることが期待されます。さらに近年リハビリテーションを支援するロボットが病院に導入されるようになってきましたが、病院や実験室などの特別な環境だけでなく、日常生活においてもBMI技術を用いたリハビリテーションへの応用にも広がることが期待されます。

<用語解説>
・ブレイン・マシン・インターフェイス(BMI):
脳波などの脳活動を利用して機械を操作したり、脳への直接刺激によって感覚器を介さずに外界の情報を入力したりする、脳と機械を繋ぐシステム。

・脳情報デコーディング技術:
脳活動を、ヒトが見たり聞いたりしているものや、身体や心の状態をあらわす一種の暗号とみなして、これを解読する技術。

・皮質脳波:
頭蓋内記録で記録された脳波。頭蓋で記録した脳波よりも神経活動を反映する高周波振動を含んでいる。

 

 

Transgenic monkey model of the polyglutamine diseases recapitulating progressive neurological symptoms”

Ikuo Tomioka, Hidetoshi Ishibashi, Eiko N. Minakawa, Hideyuki H. Motohashi, Osamu Takayama, Yuko Saito, H. Akiko Popiel, Sandra Puentes, Kensuke Owari, Terumi Nakatani, Naotake Nogami, Kazuhiro Yamamoto, Satoru Noguchi, Takahiro Yonekawa, Yoko Tanaka, Naoko Fujita, Hikaru Suzuki, Hisae Kikuchi, Shu Aizawa, Seiichi Nagano, Daisuke Yamada, Ichizo Nishino, Noritaka Ichinohe, Keiji Wada, Shinichi Kohsaka, Yoshitaka Nagai, Kazuhiko Seki
 掲載誌: eNeuro DOI: 10.1523/ENEURO.0250-16.2017

 

<研究の背景>
 神経変性疾患とは、アルツハイマー病、パーキンソン病、筋萎縮性側索硬化症(ALS)、ポリグルタミン病(家族性脊髄小脳変性症を含む)などの疾患の総称で、脳や脊髄にある神経細胞のうち、ある特定の領域の神経細胞が徐々に脱落する病気です。日本国内だけでも400万人以上の患者さんがいると推定されており、高齢化社会の進行に伴って患者さんの数が増えています。もの忘れ・手足のふるえや動かしづらさ・歩行時のふらつきなど、個々の疾患に特有の症状が出現し、徐々に進行しますが、その原因にはいまだ不明な点が多く、疾患の進行を止める根本的な治療法は確立されていません。
 ヒトの疾患に対する新たな治療法や診断法を開発するためには、ヒトの病態を再現した疾患モデル動物を用いて得られた基礎研究の成果をヒトにおける臨床研究へと展開する、いわゆるトランスレーショナル・リサーチ(橋渡し研究)が必須です。神経変性疾患においても、これまでに、齧歯類(ラットやマウスなど)のモデル動物を用いた基礎研究の成果をもとに、数多くの臨床研究が試みられています。しかしながら、基礎研究で効果が確認された治療薬の候補がヒトにおいては効果が乏しいなど、基礎研究から臨床研究への橋渡し研究の多くが成功に至っていないのが現状です。
 その大きな原因として、齧歯類の脳の構造や機能にはヒトとは異なる点が多いこと、また、薬剤などの効果や副作用も齧歯類とヒトとでは大きく異なることが挙げられます。より効果的に橋渡し研究を推進するため、すなわち、基礎研究で得られた成果を確実に臨床研究へつなげ、新しい治療法を開発するためには、脳の構造や機能、薬剤などの代謝経路がヒトに近似している霊長類を用いて、神経変性疾患のモデル動物を確立することが必要です。
 そこで、NCNPは小型霊長類であるコモンマーモセット(Callithrix jacchus、図1)に注目しました。実験動物として用いられる霊長類には、他にもマカクサル等がありますが、コモンマーモセットは霊長類の中では珍しく多産で、性成熟までの期間や妊娠期間、出産間隔が短いため、マカク類と比較して繁殖効率がよいこと、また、比較的小型(3-400 g)であることから、橋渡し研究に必要な個体数を確保しやすいのが特徴です。さらに、高次脳機能を司る前頭葉の割合がヒト同様に大きく、高い社会性を持っています。また齧歯類よりも脳が大きいことから、ヒトで用いられる頭部MRIなどの画像診断法を用いて脳を解析することが可能です。このようにコモンマーモセットは、多くの観点で齧歯類やマカクサルよりもヒトのモデルに適した特徴を持っており、様々な研究に応用される可能性を秘めています。わが国では、コモンマーモセットを用いた遺伝子改変動物作製技術が世界に先がけて確立されました。NCNPではこの技術を応用し、ポリグルタミン病の遺伝子改変モデルマーモセット系統の確立に世界で初めて成功しました。   
 

<研究の内容1:遺伝子改変コモンマーモセットの作出に成功>
 ポリグルタミン病は、いくつかの家族性脊髄小脳変性症(SCA1、SCA 2、SCA 3、SCA 6、SCA 7、SCA 17、歯状核赤核淡蒼球ルイ体萎縮症)、ハンチントン病、球脊髄性筋萎縮症の総称です。ポリグルタミン病の各疾患の原因遺伝子内では、CAG配列の繰り返し(CAGリピート)回数が健常人よりも増えています。このCAG配列はグルタミンというアミノ酸を作るため、原因遺伝子産物である蛋白質の中に健常人よりも長いグルタミン鎖が挿入された、ポリグルタミン蛋白質が生成されます。このポリグルタミン蛋白質は神経細胞に蓄積すると細胞の機能を低下させ、神経細胞を脱落させることが知られています。
 ポリグルタミン病のうち家族性脊髄小脳変性症は、小脳や脊髄などの神経細胞が変性・脱落して、歩行時のふらつき(運動失調)などの様々な神経症状が徐々に進行する疾患です。本研究では、ポリグルタミン病のうち世界的にも頻度が高く、わが国の家族性脊髄小脳変性症のうち約30%を占めるマシャド・ジョセフ病(SCA3)をターゲットとしました。SCA3は、原因遺伝子であるAtaxin 3 内にあるCAGリピートの異常伸長により引き起こされることが知られています。そこで、Ataxin 3内のCAG リピートを異常伸長させた疾患原因遺伝子(図2、Ataxin 3-120Q)を合成し、遺伝子を細胞内へ運ぶウイルスベクターを介して、マーモセット受精卵へ遺伝子導入を行いました。
 その結果、7頭の産仔が得られ、7頭全てにおいて変異遺伝子の導入が確認されました(図3)。このうち3頭において発症が確認され、発症に伴い、体重・握力・日内活動量の低下が認められました(図4)。また、運動失調の直接的原因となる小脳の細胞の異常(プルキンエ細胞の脱落)(図5)、頭部MRIでの第四脳室の拡大(図6)など、ポリグルタミン病の患者さんとよく似た病態も多く認められました。さらに、ヒトのポリグルタミン病に特徴的な脳病変である、ポリグルタミン蛋白質が蓄積して形成される封入体が、モデルマーモセットの脳内の神経細胞において確認されました(図7)。
 これらの結果から、今回作出された遺伝子改変マーモセットがポリグルタミン病の患者さんとよく似た病態を示すことが明らかになりました。   
 

<研究の内容2:遺伝子改変コモンマーモセットの系統化に成功>
 ヒトの疾患に対する新たな診断法や治療法を開発するための橋渡し研究を行うためには、その疾患のモデルとなる実験動物の個体が複数必要であり、かつ、異なる個体どうしが同様の病態を示すことが望まれます。例えば、治療法の開発にあたっては、治療を行った群と行わなかった群の比較や、異なる個体で同程度の治療効果が認められるかという再現性の確認、治療群において副作用がないかなどについて、同様の病態を示す複数の個体を用いて調べる必要があるからです。
 今回作出された遺伝子改変マーモセットモデルを将来の橋渡し研究に向けて実用化するためには、遺伝子改変技術で生まれた個体(第一世代)の子孫(第二世代)を作出し、系統化することが必要になります。第二世代の個体どうしは、第一世代の個体どうしよりもより近似した病態を示すことが知られています。NCNPでは、第一世代のうち、発症が確認された個体の精子を凍結保存し、顕微授精によって作出した受精卵を他のマーモセットの子宮に移植することにより、産仔の作出を試みました。その結果、現在までに5頭の産仔(第二世代)を獲得し、5頭全てにAtaxin 3遺伝子が確認されました。このことから、ポリグルタミン病モデルマーモセットの次世代作出が可能なことが証明されました。   


<期待されること>
 今回の研究によって、ポリグルタミン病に特徴的な症状や脳病変を再現した遺伝子改変モデルマーモセットの系統が世界に先駆けて作出されました。今後、このモデルマーモセットを用いた橋渡し研究を通じて、ポリグルタミン病や神経変性疾患に関する研究が進むことが期待されます。新たな治療法の開発にむけた研究だけでなく、病態の診断に有用なバイオマーカーや画像診断法を開発するための研究への応用も可能です。NCNP及び世界中の研究機関においてポリグルタミン病や神経変性疾患の病態や治療法に関する研究が進み、一日でも早く、同疾患に対する根本的な治療方法が確立することが期待されます。


<参考図>


図1
図1:コモンマーモセット(野生型)。

図2
図2:今回の研究で作成された疾患原因遺伝子の設計図。

 

図3
図3:第一世代として誕生した7頭の産仔(PQD1~7)に
疾患原因遺伝子が導入されていたことを示す実験結果。

 

図4
図4:疾患モデルマーモセットにおける体重(左)、握力(中)、日内活動量(右)の低下。対照群のマーモセット(5頭)と、発症が確認された疾患モデルマーモセット(3頭)との比較。グラフ内の横棒は各群の平均値。
 

 

図5
図5:疾患モデルマーモセットにおける小脳プルキンエ細胞の脱落。 対照群のマーモセットの小脳(右)ではプルキンエ細胞(オレンジ色に染色された細胞)が整然と並んでいるが、疾患モデルマーモセットの小脳ではほぼすべてのプルキンエ細胞が脱落している(左、矢頭)。
 

図6
図6:疾患モデルマーモセットの頭部MRIでみられた第四脳室(矢印)の拡大。
患者さんの頭部MRIでは、小脳やその周囲の脳部位の萎縮を反映して、
第四脳室の拡大が見られることが知られている。

 

図7
図7:疾患モデルマーモセットの神経細胞において確認された、
ポリグルタミン蛋白質が蓄積して形成される封入体
(右下囲み枠は拡大図、矢頭が封入体)。


 

 

 

 

Nerve-specific input modulation to spinal neurons during a motor task in the monkey.

Joachim ConfaisGeehee KimSaeka TomatsuTomohiko Takei, Kazuhiko Seki

掲載誌:Journal of Neuroscience Published 3 February 2017 Vol.37 no. 10

DOI: https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2561-16.2017

 

<研究の背景と経緯>
 全く同じ刺激が手足の皮膚などに与えられたとしても、引き起こされる感覚は状況に応じて異なることは私たちが日常生活の中で体験していることです。例えば、熱いフライパンのふたを持ち上げる場合、もし、「ふたが熱い」ということを知らない場合は皮膚刺激が脊髄の神経を興奮させ、手を引っ込める反射(屈曲反射)が起こり目的は達成できません。一方、熱いことをあらかじめ知っている場合には、神経の興奮を抑制することができます(図1)。
 このような、状況に依存した感覚反応の抑制は自己の運動中に顕著であることが、心理学的研究から明らかにされてきました。このことを示す別のケースは、手のひらをくすぐる際にも存在します。例えば、他人に手のひらをくすぐられる場合と自分自身でくすぐる場合とでは、自分自身でくすぐった方が「くすぐったさ」が抑制されること、また自分自身でくすぐった場合でも、より早く皮膚を刺激した方が感覚の抑制が大きいことなどが知られていました。また、統合失調症の患者ではこの抑制が少ない(自分がやっても他人がやっても同じように感じる)ことから病態の診断への応用を検討する研究例もあります。しかしながら、こうした研究が進められている一方で、自分の運動中に末梢感覚が変化する現象をひきおこす、脳内の仕組みは分かっていませんでした。
  

<研究の内容>
 研究グループでは、皮膚感覚を伝える末梢神経がまず脊髄で中継されることに注目し、サルが手首を動かしている最中に、手指の皮膚及び筋の感覚神経を直接電気刺激する方法を開発しました(図2)。そして、その電気刺激を用いて皮膚と筋感覚に関わる脊髄神経の反応を記録することに世界で初めて成功しました(図3)。そして、まず皮膚神経に対する脊髄神経の反応を調べると、予想通り運動中に減弱している事がわかりました(図4右、図中青矢印(ー))。この現象は、既に知られている「感覚ゲーティング」つまり、自己の運動中に、その運動によって生じる感覚が抑制される現象を反映していると考えられました。ところが、同じように筋神経への反応を見てみると、皮膚神経反応のように抑制されておらず、逆に促進していました(図4左、図中赤矢印(+))。この反応は通常の感覚ゲーティングの考え方と逆であり、新たな発見でした。
 この結果は、「感覚ゲーティング」のメカニズムに新たな解釈を与える重要な知見です。 つまり脳による感覚ゲーティングはこれまで考えられていたより、繊細に細かなコントロールによっていることが明らかになりました。そして、今回の実験結果から行動中にすべての感覚が一様に抑制されるのではなく、その行動にとって重要性の高い感覚は逆に強調され、重要性の低い感覚のみが抑制されているという新たな仮説を導くことができました。  


<今後の展開>
 本研究によって、「感覚ゲーティング」の神経メカニズムが明らかになりました。そして、運動中における感覚ゲーティングは一様でなく、重要な感覚を抽出、そうでない感覚を抑制するという、よりきめ細かなコントロールが脳によってなされていることがわかりました。今後は、感覚抑制と抽出、両者の背景にある分子レベルの仕組みを調べる研究が盛んになると予想されます。また、例えば統合失調症など精神疾患の患者さんの一部はこの感覚ゲーティングに異常があることが知られ、それが自他混同などの病態の背景にあるとする考えがありました。しかし、今回脳によるよりきめ細かな感覚ゲーティングメカニズムが明らかになったことにより、今後は臨床現場でもより細かな基準で感覚ゲーティングを測定することにより、現在より高精度な診断を行うことができる可能性があります。今後は、さまざまな運動や運動疾患において同様の計測を行うことにより、感覚ゲーティングのより詳細な行動制御における役割が明らかにされることが期待されます。


<参考図>

図1
図1 同一の感覚入力は状況に応じて異なった結果を生む(例)

熱いフライパンのふたを持ち上げなくてはならない場合。もし、「ふたが熱い」ということを知らない場合は皮膚刺激が脊髄の神経を興奮させ、手を引っ込める反射(屈曲反射)が起こり目的は達成できない(上)。一方、熱いことをあらかじめ知っている場合には、神経の興奮を抑制し反射を止めることができる(下)。
 

図2
図2 皮膚神経と筋神経からの感覚神経を選択的に刺激する新技術開発

サルの手指の皮膚神経(図中オレンジ)と筋神経(図中紫)へ電極を埋込み、慢性的に感覚神経を刺激する実験手法を開発した。それによって、サルの行動中に筋感覚及び皮膚感覚神経活動に対する脊髄神経細胞の活動を記録することが初めて可能になった。
 

図3
図3 覚醒行動下のサル脊髄細胞の末梢神経刺激に対する反応を記録する

サルの末梢神経を電気刺激し、脊髄上電位(図中上)及び脊髄細胞反応(図中下)を記録する実験技術を開発した。脊髄に刺激が到達した時間(点線)から脊髄細胞の反応開始時間(図中ヒストグラム)の時間によって、この脊髄細胞が末梢神経から直接入力を受ける細胞であると判断できる。
 

図4
図4 手の運動中に皮膚感覚と筋感覚は異なった制御を受ける

サルが手首を(1)安静、(2)運動準備、(3)手首運動、(4)力維持、(5)脱力している際に、筋神経(左)及び皮膚神経(右)を刺激した際の脊髄細胞の反応。皮膚神経を刺激すると、安静時には大きな反応(ヒストグラムのピーク)が認められるが、運動中にはこのピークが消失する(予想された反応:従来の感覚ゲーティング:青ー)。しかし、筋神経を刺激した場合は、逆に反応が大きくなった(予想外の反応:赤+)。感覚ゲーティングは対象とする感覚の種類によって柔軟にコントロールされていることが明らかになった。

 

 

 

 

 

Muscle afferent excitability testing in spinal root-intact rats: Dissociating peripheral afferent and efferent volleys generated by intraspinal microstimulation.

Saeka Tomatsu*, Geehee Kim*, Joachim Confais, Kazuhiko Seki

Journal of Neurophysiology Published 14 December 2016 Vol.36 no.50 , DOI: 10.1152/jn.00874.2016

*同等の貢献度

 

末梢の感覚情報は求心性繊維を通じて脊髄に入力する.感覚繊維の末端は脊髄内でシナプスを形成して感覚情報を伝えるが,文脈に応じたシナプス前抑制が,情報の伝達を遮断することが知られている.感覚神経末端でのシナプス前抑制の研究には,脊髄内微小電気刺激によって引き起こされる感覚神経上の電位変化を観察することが有用で,皮膚感覚入力が随意運動中のシナプス前抑制によって低下することが,この技術を用いてすでに明らかにされている(Seki et al. 2003).ところが,求心性繊維のみが束になっている皮膚神経とは異なり,筋神経は筋の状態を伝える求心性繊維と,筋を収縮させる指令を送る運動ニューロンの軸索(遠心性繊維)が束になっているため,脊髄内電気刺激による電位変化がどちらの繊維由来であるかを判別する方法が求められていた.
 本研究では求心性繊維もしくは遠心性繊維を選択的に切断した実験系(図A)において,脊髄内電気刺激を2発続けて行ない,刺激間隔が2 msのときに経路による反応の違いが大きいことを見いだした(図A,B).具体的には,求心性繊維由来の反応の場合は,2発目の振幅がやや大きくなり,遠心性繊維由来の反応の場合は2発目の振幅が小さくなる.これは,遠心性繊維由来の反応には運動ニューロンの興奮が介在するため,刺激間隔が短いと不応期があらわれることによると考えられる.さらに神経切断をしない実験において,2発目の振幅が1発目の振幅の95.3%より大きいときに求心性繊維由来,小さいときに遠心性繊維由来と分けると,シナプス前抑制の有無と関連が深いことがわかった(図C).
 この基準を用いると,神経切断をせずに筋神経に対するシナプス前抑制の研究を行なうことができる.今後の研究により,我々動物が自然な随意運動を行なうとき,どのように筋感覚入力を利用するのかに関して新たな知見を得ることができると期待される.

 

 

 

 

 

 

 

Electrophysiological identification of Macaca cortical area 3a and 3b

H. Yamada, H. Yaguchi, S. Tomatsu, T. Takei, T. Oya, K. Seki :Representation of afferent signals from forearm muscle and cutaneous nerves in the primary somatosensory cortex of the macaque monkey. Plos One, 4 Oct 2016. より

 

図C,Dに示されるように、麻酔下のマカクサルの一次感覚野(中心後回)を表層から深層に向かって微小電極で記録し、筋(DR)及び皮膚(SR)神経刺激で誘発される局所フィールド電位を記録した。解剖学的に同定されたArea 3a (図CにおけるAのポイント)からは、筋刺激によって、またArea 3b (図CにおけるBのポイント)からは皮膚刺激によってそれぞれ有意な局所フィールド電位が確認された。この事は、両領域を電気生理学的方法を用いて短時間 で即時的に区別する事が可能なことを示している。

 

 

 

 
HOME
日本語