私たちの研究の背景

 私たちの心と体の動きを生み出している中枢神経系にあるニューロンがお互いにどのように結合して神経回路をつくり、どのように様々な出力パターンの形成に関与しているのかを知ることは私たち自身を理解する上での重要な礎と考えられています。しかしこれらの神経回路の多くで、構成する細胞同士の結合様式と個々の細胞の活動がどのように回路の出力に反映されているのかは依然として明らかではありません。

 脊髄でも、どのニューロンのどのような活動が組み合わさって、例えば歩行運動の際に四肢の動きを時間的・空間的に協調させるための筋活動パターンが生み出されるのか、という基本的なことさえほとんどわかっていません。歩行運動はそれぞれの筋群を支配する運動ニューロンがそれぞれ決まったタイミングでリズミックに発火することによって実現されています。このときの運動ニューロンへのリズミックな入力を形成しているのは脊髄に局在する歩行運動神経回路網です。この回路網は外部からのリズミックな入力なしにリズミックな出力パターンを形成することが可能で、このような性質を持つ回路は一般にCentral Pattern Generator(CPG; 中枢パターン発生器)と呼ばれています。この出力パターン形成能を持ち、なおかつ行動に直結する歩行CPGの作動メカニズムを生理学的に明らかにすることは、脊髄だけでなく他の中枢神経系部位の時間的・空間的パターンを出力として持つ神経回路の作動原理を知る大きな手がかりになると考えています。生理学的計測技術が大きく進歩し、遺伝学や分子生物学的手法と効果的に組み合わせることが可能になった現在、この回路を構成するニューロンの同定とそれぞれの結合の様式をいよいよ解明することが現実になってきたと感じています。


 

さらなる発展性とインパクト

 私たちはマウス脊髄CPGの研究のみにとどまらずその次のステップとして、人体の歩行運動のしくみ、さらには再生医療における機能的神経回路の再生につなげて行くために、上位中枢と脊髄に局在する神経回路網の相互作用を研究し始めています。これには脊髄内でプログラムされた運動遂行に対して上位中枢がどのような修飾作用を及ぼすか、さらには上位中枢から脊髄への修飾作用が発達に伴ってどのように変化するかという、いわばボトムアップなアプローチをとることによって、上位中枢の役割の研究を進めて行く狙いがあります。

 CPGのように多数のニューロンが同期してリズミックに活動する現象は、歩行運動を駆動する際の脊髄だけでなく、大脳皮質、海馬や脳幹など多くの中枢神経系の部位でみられるいわば普遍的な現象です。この際にニューロンがお互いにどのように結合し様々な出力パターンの形成にどのように関与しているのかを知ることは、我々ヒトをはじめとする哺乳動物の行動原理を明らかにして行く上でも非常に有意義だと考えています。

私たちのアプローチ

 生後間もないマウス新生児の脊髄を摘出した標本を灌流槽におき、酸素で飽和した人工脳脊髄液で灌流し、NMDA型グルタミン酸受容体及びセロトニン受容体を活性化すると、実際に動物が歩くときと非常によく似た運動ニューロンの活動パターンが見られます。つまり脊髄だけの標本でも歩行運動様の活動を比較的簡単に電気生理学的あるいは光学的にモニタすることが可能です。私たちは、この標本と遺伝子改変技術を用いた特定の細胞の可視化技術やノックアウトマウスを組み合わせることでCPGを構成するニューロンを同定していきます。特に歩行運動の際の後肢の屈筋・伸筋の交代性パターン形成に関与する抑制性ニューロンの同定を重点的に行います。これは抑制性伝達物質GABAを持つニューロンが特異的に蛍光色素蛋白質(GFP)を発現する遺伝子改変マウスを用いることで効率的に抑制性ニューロンを可視下に同定し記録することにより行っています。膜の電気生理学的性質、歩行運動様リズムの際の発火パターンとシナプス入力様式を測定し、その軸索や樹状突起の形態と電気生理学的性質との関係を調べるために色素の細胞内灌流法による標識を行っています。このようにして単一ニューロンの機能と集団としての振舞いがどのように神経回路の出力に寄与しているのかを詳細に検討します。また抑制神経伝達物質が減少、あるいは放出できないノックアウトマウスを用いて、抑制性のシナプス伝達がCPGの機能および発達分化にどのような役割を担っているのかを調べています。また現在、両足を揃えたウサギ様の歩行パターンを示す突然変異マウスmiffyのCPGの解析を行っており、CPGの出力メカニズムを探るモデルとしてこのマウスを上記の方法を中心に用いて調べています。本研究は群馬大学大学院医学系研究科・遺伝発達行動学分野の研究グループおよび理化学研究所脳科学総合センターの行動遺伝学技術開発チームと共同研究という形で進めています。