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理学部物理科学科 別所 親房 教授

学習・記憶に伴う神経活動と遺伝子発現の関係を研究。可塑性、長期記憶、知能に関わる遺伝子を検索する新たな方法も考案。

脳という非常に興味深い領域がテーマですが、具体的にはどのような研究ですか。

　神経系の情報伝達を司る細胞をニューロンと呼び、これが相互に接する小さなすき間をシナプスと言います。興奮が神経末端に伝わると神経伝達物質が放出され、隣の神経末端の受容体に結合して情報が伝達されます。
　学習・記憶ではこのシナプスに変化（可塑性）が起こります。短期記憶の場合はシナプス伝達が変化し、長期記憶では興奮が核まで届き、ＤＮＡ上で新たな遺伝子発現すなわちメッセンジャーＲＮＡ(ｍＲＮＡ)とタンパク質が新たに合成されます。その結果、シナプス形態と神経回路が共に変化します。
　私はマウスの水迷路学習・記憶に伴う神経活動と遺伝子発現の関係を研究しています。
　足場が水面下に固定され、不透明な水が入っているタライの中に放されたマウスは、デタラメに泳ぎます。しかし、この訓練を重ねるとマウスは空間配置を記憶し、足場にすぐたどり着くようになります。この水迷路学習・記憶には大脳側頭葉にある海馬が必須で、海馬の長期増強(ＬＴＰ)が基礎にあると考えられています。長期増強は可塑性の一種で、高頻度刺激でシナプス伝達が増強する性質です。ただし、海馬は最終的な記憶の貯蔵庫ではなく、記憶の管制塔です。私達はマウス海馬・大脳皮質スライスを用いて、長期増強とグルタミン酸受容体、Ｃａ2+、長期記憶の関係や記憶の貯蔵庫である皮質野の寄与を多点電極法とＣａイメージング法、フラビン蛋白質自発蛍光法で明らかにしています。
　ちなみに、長い間、神経細胞は増えないと信じられていましたが、最近、高齢なヒトの海馬歯状回で、神経細胞が新生することが確認されて大変話題になっています。さらに、ネズミに「回し車」を与えると、海馬の歯状回の神経細胞数が与えない場合の約２倍に増え、水迷路学習能力もアップしました。この「回し車」に相当するものが人間で分かれば、これはすごい発見になります。再生医療において新たな可能性が出てきたわけです。
　脳とコンピュータを比較すると、脳の活動はコンピュータと同じく神経細胞の電気的なオン・オフで制御されています。そのため、最近、脳・コンピュータ・ロボットアーム結合系において、念力でアームが操作できる（ＢＭＩ)ようになりました。しかし、脳の基本的な配線＝プログラムは、コンピュータと異なり、遺伝子によって自律的に決められます。さらに、シナプスは刺激によって変化することが決定的に異なります。現在、このような可塑性をもつ脳型コンピュータの研究が進められていますが、ハードルはかなり高いです。

可塑性の遺伝子発現の研究はどこまで進んでいるのですか。また発案された新たな方法とは…。

　強い刺激や繰り返し刺激は、神経細胞内情報伝達系を介して核内のＤＮＡまで届き、新たなメッセージが出てくる。これが可塑性関連の遺伝子発現です。普段はＤＮＡに鍵がかかっていますが、これが外れて遺伝子が発現します。この鍵に相当する分子がＣＲＥＢ（サイクリックＡＭＰ応答要素結合）タンパク質です。人間は特別に高級な知的活動をしているから、他の生物と神経活動、遺伝子発現も違うと考えがちです。しかし、基本的仕組みはアメフラシからマウスまで同じということが分かってきました。このＣＲＥＢタンパク質が活性化した後、どんな標的ｍＲＮＡが転写され、シナプス結合がどのように変化するのかという事が、今日の大きな研究課題です。可塑性関連のｍＲＮＡは何百種類もあると推定されますが、まだ数十種類しか同定されていません。イオンチャネル、伝達物質、受容体の分子的探究を経て、いま神経成長、神経結合、可塑性、長期記憶に関与する遺伝子を探り出すことが極めて重要な課題になっています。
　私達は、十数年前に発明された遺伝子発現の違いを調べる方法（デファレンシャルデスプレイ法）を用いて、マウス海馬の長期増強や水迷路学習に関わる遺伝子を検索してきました。しかし、この方法は主にｍＲＮＡの3'末端非翻訳領域の違いを表示し、擬陽性のバンドが沢山現れる欠点をもっていました。そこで、私は5年前からこの欠点を克服する方法を試み、逆転の発想で、意味のある5'末端翻訳領域を表示できる新たな方法を考案しました。現在、特許を申請中で詳しくは言えませんが、これからのｍＲＮＡ合成・遺伝子発現の研究に貢献できればと願っています。