脳内の神経細胞は、急速な電気インパルスを介して通信し、脳が行動、感覚、思考、感情を調整することを可能にします。 この電気的活動を研究したい科学者は、通常、脳に電極を挿入してこれらの信号を測定しますが、この作業は非常に困難で時間がかかることで知られています。
MIT の研究者はこのたび、脳の電気的活動を測定するまったく別のアプローチを考え出し、これがはるかに簡単で有益であることを証明したと考えています。 彼らは、ニューロン膜に埋め込むことができる光に敏感なタンパク質を開発し、それが蛍光シグナルを発することで、特定の細胞がどれくらいの電圧を経験しているかを示しました。 8035>
MITの生物工学および脳認知科学の准教授であるEdward Boyden氏は、「脳に電極を設置した場合、1人の人間の話し声だけを聞いて、電話での会話を理解しようとするようなものです」と述べています。 「現在では、神経回路内の多くの細胞の神経活動を記録し、それらが互いに話しているのを聞くことができます」
MITのメディアラボ、マクガバン脳研究所、コーク統合がん研究所のメンバーであり、HHMI-サイモンズ教員奨学生でもあるボイデン氏は、この研究の上級著者として、2月26日号のNature Chemical Biologyに掲載されています。 この論文の主執筆者は、MITのポスドクであるKiryl Piatkevich氏とErica Jung氏です。
Imaging voltage
過去20年間、科学者は、電極による記録の代わりにイメージングによって脳の電気活動を監視する方法を探し求めてきました。 この種のイメージングに使用できる蛍光分子を見つけるのは困難でした。タンパク質は電圧の変化に非常に敏感でなければならないだけでなく、反応が早く、光退色（光の照射によって起こる退色）に対する耐性もなければなりませんでした。 彼らは、タンパク質有向進化と呼ばれるプロセスを通じて生成された何百万ものタンパク質をスクリーニングして、自分たちが望む形質を得ることができるロボットを作りました。 「研究者たちは、ハーバード大学のアダム・コーエン研究室が以前操作した、QuasAr2という光感受性タンパク質の150万個の変異型を作りました。 (これは、ハーバード大学のアダム・コーエン研究室が以前に操作したものである（この研究は、ボイデン研究室が2010年に報告した分子「Arch」に基づいていた）。 研究チームは、これらの遺伝子をそれぞれ哺乳類細胞に入れ（1細胞につき1つの変異体）、実験皿で細胞を培養し、自動顕微鏡で細胞の写真を撮影した。 ロボットは、研究者が求めていた基準（最も重要なのは、細胞内のタンパク質の位置とその明るさ）を満たすタンパク質を持つ細胞を識別することができました。
研究チームは次に、最も優れた候補を5つ選び、もう一度突然変異を繰り返して、800万個の新しい候補を生み出しました。 ロボットはその中から最も優れた7つを選び出し、研究者たちはそれをArchon1と呼ぶ1つのトップパフォーマーに絞りました。
脳のマッピング
Archon1の大きな特徴は、遺伝子が細胞に送り込まれると、Archon1タンパク質が細胞膜に埋め込まれてしまうことで、細胞の電圧を正確に測定するのに最も良い場所となることです。
このタンパク質を用いて、研究者らはマウスの脳組織のほか、ゼブラフィッシュの幼生や線虫の脳細胞でも電気活動を測定することができました。 後者2種の生物は透明なので、光を当てて蛍光を画像化することは容易である。 また、Archon1は、神経細胞の活動を抑制または刺激するために一般に用いられる光感受性タンパク質（これらは光遺伝学的タンパク質として知られている）と併用できることも明らかにした（これらのタンパク質は、赤以外の色に反応する限り）。 Archon1の前身を開発したハーバード大学のコーエン教授は、この新しいMITのタンパク質によって、生きた脳でミリ秒単位の電気活動を画像化するという目標に近づくことができると述べています。
「従来、蛍光電圧インジケーターを作るには、それぞれの変異体を個別にクローニングし、手作業でゆっくりとパッチクランプ電気生理学的測定を行ってテストしなければならなかったので、非常に手間がかかっていました。 Boyden研究室は、この問題に対して、非常に巧妙なハイスループットスクリーニング手法を開発しました」と、Cohen研究員はこの研究には参加していない。 「彼らの新しいレポーターは、魚やミミズ、脳のスライスで実によく見えるのです。 研究者たちは現在、この技術を使って、マウスがさまざまな作業を行う際の脳活動を測定することに取り組んでおり、これによって神経回路をマッピングし、それらがどのように特定の行動を生み出すかを発見できるはずだとボイデンは考えています。 「今後5年ほどの間に、いくつかの小さな脳回路を完全に解決しようとするつもりです。 そのような結果は、思考や感情が実際に何であるかを理解するための一歩となるかもしれません」
この研究は、HHMI-サイモンズ教授奨学金プログラム、IETハーベイ賞、MITメディアラボ、ニューヨーク幹細胞財団ロバートソン賞、オープン慈善プロジェクト、ジョン・ドアー、人間開拓科学プログラム、防衛省、国立科学財団、国立衛生研究所（NIH長官開拓賞など）から資金提供されたものです。