ASCONE2008 『脳の可塑性：分子から行動まで』

記憶・学習のプロセスは大雑把に、

の３つのステップから成立している。今回の講義では、実験心理学的なアプローチを通じて、記憶のメカニズムとその調節機構について考察する。

とりわけ「再生」に焦点を絞りたい。以前に経験したものを再度思い出すいわゆる「再認」の過程には、「親近性（familiarity）」と「想起（recollection）」の二つの要素が存在するといわれる。親近性は「以前にも見たことある」という漠然とした感覚のことである。一方、想起は具体的なエピソードを詳細に思い出せる状態を指す。この２つのプロセスは（異論はあるものの）脳内では別のメカニズム、あるいは、異なる脳領域が担うと考えられている。今回の講義では、こうした記憶のしくみを概説しつつ。実際に確信度（解答への自信の強さ）と正確性（正解か否か）の関係について、実験を通じて体験してみようと思う。

また、キサンチン誘導体の効果についても皆で検討したい。キサンチン誘導体（たとえばカフェインなど）の厳密な薬理作用とその効力については未解明だが、これについても考察したい。折角の機会なので、短期記憶や数字処理に関する能力へのキサンチン誘導体の作用も実験的に検証する。

こうした試験は本来ならば大人数（たとえば１００名以上）で行うべきだが、それでも大雑把な傾向が捉えられるだろう。自由討論では革新的なデータ検証を期待したい。

第３回を迎えるASCONEの講義の中で、臨床という応用分野からの講義は今回が初めてのようである。我々は、脳科学のリハビリテーション医療への応用を目指しているが、臨床では、神経症候や機能障害だけでなく、患者の意欲や治療者の技術等の多様な因子が干渉し合うため、障害の重症度や治療法を数量化して検討することが極めて難しい。そのため、実際の臨床では、経験則に基づいている治療が多用され、根拠のない見せかけの「先端リハビリ」も少なくない。我々が日本に導入し、その効果についてエビデンスが確立しているＣＩ療法（Constraint induced movement therapy）さえも、脳のuse-dependent plasticityが前提となってはいるが、脳科学の理論で解明されているわけではない。

今回の講義との目的は、そのような臨床の現状を理解しながら、脳科学のリハビリテーション医療への応用の必要性や、発展の方向性等について、建設的に議論することである。最初の講義で、主に脳損傷のリハビリテーションの臨床で頻繁にみられる症状や障害とその病態を紹介し、グループ討論・演習で神経科学との結ぶつきについて討論する。熱心な議論によって、基礎研究者と臨床家の双方に対して、新たな提言を行うきっかけができることを期待したい。

成熟個体においても神経細胞が新生し、既存の神経回路に組み込まれることが近年の実験により解明されている。つまり、成熟後の神経回路は、シナプス伝達効率に可塑性があるのみならず、構造的にも塑性体であることを意味する。発達中の神経細胞における構造決定過程を分子レベルからモデル化することは、神経系の環境適応機構の理解のために重要である。発達期の神経細胞の最初の構造変化は、似た長さを持つ複数の突起から一本の突起のみが長く伸長し軸索になる過程である（極性形成）。次の構造変化は、軸索が標的細胞方向に伸長し、結果的に標的細胞とシナプス結合を生成する過程である（軸索伸長）。前者においては、均質な細胞外環境からでも対称性を破るplasticityと、安定して一本だけの突起を軸索として選択するstabilityのジレンマを解決する必要がある。また後者においては、軸索先端部の大きさに比べて極端に微弱な分子信号を検知し、安定して相手細胞を認識しながら軸索構造を構築する必要がある。これらの性質は、発達中の神経細胞において強い非線形の制御機構が存在することを示唆している。本講義では、このような神経細胞の極性形成および軸索伸長に関する性質を再現することのできる数理モデルについて解説を行う。また、関連する分子の制御機構の解明のための実験データの解析研究についても述べる。

文献：

Sakumura, Y., Tsukada, Y., Yamamoto, N., and Ishii, S. A molecular model for axon guidance based on crosstalk between Rho GTPases. Biophysical Journal, 89, 812-822, 2005.

Noaki, H., Sakumura, Y., and Ishii, S. Stochastic control of spontaneous signal generation for gradient sensing in chemotaxis. Journal of Theoretical Biology, in press.

Tsukada, Y., Aoki, K., Nakamura, T., Sakumura, Y., Matsuda, M., and Ishii, S. Quantification of local morphodynamics and local GTPase activity by edge evolution tracking. submitted.

脳機能を細胞レベルから理解し、神経回路網の活動の因果関係を理解するためには、感覚刺激を与えて脳の中の活動を観測するだけでなく、神経細胞・脳組織に直接刺激を入れ、その活動を人工的に制御することも必要です。しかし、これまでの多くの直接的刺激方法は、電流を流すための刺激電極を必要とするため、物理的侵襲を避け得ず、空間情報にも制限ができてしまいます。これに対して、刺激に光を用いると、侵襲性を最小限に抑えながら、高速かつ高空間解像度でシナプスや神経細胞の活動を操ることが可能となります。しかし、神経細胞は電流を流せば反応しますが、光をあてただけでは反応しません。

近年、ケミカルバイオロジーによる光応答性小分子化合物や、分子生物学的手法による光応答性タンパク質が盛んに開発されるようになってきました。さらに非線形光学を利用した2光子顕微鏡の普及によって、生きた動物の脳内の単一細胞・単一シナプスの活動まで観測できるようになりました。これらを組み合わせることで具体的には、狙ったシナプス1個だけに可塑性を誘発することや、生きている動物の行動や認知を光で制御することが可能になってきています。このように、化学・生物学・物理学の最先端の手法を融合し、光を使って脳機能を積極的に制御するという新しい神経科学（Neurophotonicscience）の潮流が出来つつあり、古典的な電気生理学的手法と相補しながら、細胞・シナプスレベルからの脳機能・可塑性の解明に極めて強力な方法論となっていくことは間違いありません。本講義では、このNeurophotonicscienceについて概説し、グループ討論・演習では、どのような光応答性分子があったら何が出来るか、光制御を用いたらどのような脳科学の問題を解くことができるか、そのためにはデバイスを含め、どのような実験系を組み立てればよいのか、という事に関して、様々に討論したいと考えています。

電気生理的に示唆されている単一シナプスに対する可塑性のルールが一つの神経細胞の持つ多数のシナプスに働くときどのような帰結を生むかを確率過程の数学的道具で解明する手法を紹介する。可塑性に関する原理的な難しさを問題提起し、それに対する考察をグループ討論・演習の課題とする。次に、神経細胞の集団に同様な可塑性が働くとき、その可塑性はどのようなネットワーク構造を生み出すかを調べるための数学的手法を紹介する。

我々の脳における記憶や学習は、シナプス伝達効率の活動依存的変化、すなわちシナプス可塑性により、神経ネットワークの構造が変化することで達成される。多くのシナプス可塑性は、プレ･ポストシナプスニューロンの正確な発火タイミングの違いに依存することが明らかとなってきている。今回の講義では、大脳皮質におけるスパイクタイミング依存性シナプス可塑性と、小脳プルキンエ細胞におけるシナプス可塑性に焦点を絞り、厳密なスパイクタイミング差を検知する短期的なシグナルから長期的なシナプス可塑性へと変換されるメカニズムについて概説する。

我々は大脳皮質の錐体細胞のスパイクタイミング依存性シナプス可塑性(STDP)のシグナル伝達機構の数理モデルを作成して、STDPを再現するためにはNMDA受容体に新規のアロステリック性が必要であることを論理的に見出した(Urakubo et al., 2008)。この仮説を現在実験による検証を進めている。さらに、この数理モデルをアフリカツメガエルの視覚系神経ネットワークに適用し、STDPによる学習過程の解明を試みている。一方、我々は小脳プルキンエ細胞のシナプス可塑性である長期抑圧(LTD)のCa²⁺上昇を中心とした初期層(Doi et al., 2005)と、それに引き続く継続層(Kuroda et al., 2001)について分子レベルからのモデル化を行なっている。これらの一連のモデルでは、Ca²⁺上昇によるLTDの誘導は漏れ積分的応答であることや、LTDの継続層はMAP kinaseとPKCによるpositive feedbackに依存することが提唱されていた。最近、田中らによってこれらの仮説が実験的に検証された(Tanaka et al., 2007; Tanaka and Augustine, 2008)。

本講義では、実験と理論を交えたシステム生物学的手法を用いた解析により、それぞれのモデルが分子レベルの実験と密接につながっている点に注目されたい。

Doi T, Kuroda S, Michikawa T, Kawato M (2005) Inositol 1,4,5-trisphosphate-dependent Ca²⁺ threshold dynamics detect spike timing in cerebellar Purkinje cells. J Neurosci 25:950 961.

Kuroda S, Schweighofer N, Kawato M (2001) Exploration of signal transduction pathways in cerebellar long-term depression by kinetic simulation. J Neurosci 21:5693 5702.

Tanaka K, Augustine GJ (2008) A positive feedback signal transduction loop determines timing of cerebellar long-term depression. Neuron:in press.

Tanaka K, Khiroug L, Santamaria F, Doi T, Ogasawara H, Ellis-Davies GC, Kawato M, Augustine GJ (2007) Ca²⁺ requirements for cerebellar long-term synaptic depression: role for a postsynaptic leaky integrator. Neuron 54:787-800.

Urakubo H, Honda M, Froemke RC, Kuroda S (2008) Requirement of an allosteric kinetics of NMDA receptors for spike timing-dependent plasticity. J Neurosci 28:3310-3323.