研究内容

はじめに

私達は脳を通して外の世界と自己の世界を繋いで生きています。

しかし脳は単純にそれらを繋いでいる訳ではなく、外部環境や自身の精神状態などにより非常に多様な変化を見せ、それが私達の物の感じ方や考えなどに大きな影響を及ぼします。

その高度で豊かな脳の機能発現の謎の解明に向け、私達は脳組織、そして脳細胞の中での情報の流れと、外部環境や精神状態によるその制御機構の解明に向けた研究を行っています。

 

現在私達は特にグリア細胞に着目して研究を進めています。

グリア細胞、中でもアストロサイトは神経細胞や血管と相互作用する中で、それらの積極的な制御に関わる事が近年明らかになってきました。アストロサイトは神経細胞とは全く異なる細胞内・細胞間情報伝達の様式を持ち、それらは「心」や脳の高次機能を司るのに非常に適したものであることが分かってきました。

歴史の中で長く見過ごされながらも脳の生理・薬理・病理など全般の理解に必要不可欠と考えられるアストロサイトの機能を、以下の手法を用いて研究しています。

 

1)イメージングによる脳細胞・組織の生理機能の解明

脳機能の理解のためには、まずその機能を観測する事が必要となります。

ここで、多数の神経細胞やグリア細胞から構成される組織としての脳機能の理解には、これらのネットワークが保存された3次元的な組織を広い視野で観測する事が必要となります。

一方、神経細胞、グリア細胞共に個々の細胞は非常に複雑な構造を持ち、その構造が機能発現に重要な役割を果たしているため、これらの微細構造を観測する事も重要となります。

更にはミリ秒単位で起こる神経活動の記録から年単位に及ぶ形態学的な変化まで、観測現象の時間域も非常に広く。これらをカバーする観測のためには、組織の深部において広い時空間域にわたり非侵襲的に対象を観測する手段が必要となります。

2光子顕微鏡はこれらの点において非常に優れた技術であり、実際、2光子顕微鏡の導入により我々の脳に対する知識は飛躍的な進歩を遂げました。

私達はこの多光子顕微鏡技術を開発、応用する事で、これまで誰も見る事、測る事が出来なかった脳内の現象を可視化し、脳細胞・組織の生理機能解明に向けた研究を行ってきました。現在はこの最先端のイメージング技術を駆使し、脳細胞・組織内での情報の流れを可視化し、その内外の環境に対する変化を観測する事で脳機能の謎へ迫る研究を進めています。

光第二高調波発生(Second Harmonic Generation, SHG)イメージング

SHGは光の吸収による物質の励起を伴わない2光子現象であり、その発生には対象分子の特殊な存在条件が必要となります。よってこれを用いることにより、2光子励起による蛍光観察とは異なる現象の可視化が可能となります。例えば、コラーゲン繊維をSHGによりラベルせずに観測する事ができるため、癌の組織や血管などの構造を可視化する事ができます。

また、色素を用いて形質膜からSHGシグナルを観測する事により、我々はこれまで計測が困難であったスパインや軸索といった神経細胞の細部におけるミリ秒単位の電位情報の定量的な計測にも成功しました。更に、SHGイメージングに特化したSHG専用色素の開発と応用に世界で初めて成功しました。このような技術の応用により、蛍光観測では得られなかった新たな知見がもたらされるものと期待されます。

 

なお、SHGの研究はオリンパス株式会社との共同研究として進めております。

 

我々の開発した世界初となるSHG専用色素がフナコシ株式会社から販売され、ご紹介頂いております。

フナコシ株式会社からインタビューを受け、その中でAp3の紹介もしています

リンクはこちらから

 

SHG専用色素の開発と応用に関し、プレスリリースを行いました。

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この研究に関し、顕微鏡のアプリケーション・ノートとしてご紹介頂きました。

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SHGの研究をBiogarageにてご紹介頂きました。

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2)分子細胞生物学による脳細胞の情報処理制御機構の解明

脳は複雑な組織ですが、それを構成するのは神経細胞やグリア細胞と言った個々の細胞であり、更にこれらの細胞の挙動は分子、特にチャネルと呼ばれる一群の分子に大きく規定されます。

これまで私達は、環境変化によってこれらのチャネル分子が変化し、それが神経細胞やグリア細胞、ひいては脳組織の変化へと繋がっている事を見出してきました。例えば、酸素濃度が低くなり神経細胞が過剰に興奮すると、ある種のチャネルに速やかな変化が起こり、これにより神経保護作用が発揮される事が明らかになりました。

更に、このような環境依存的な分子変化は神経細胞のみならずアストロサイトにも起こるものであり、例えばてんかん病態脳においてアストロサイトの独自の持続的な変化が起こり、これが病態の悪化に寄与しているであろうことも明らかとなりました。

このような変化は様々な環境や精神状態に対して一般的に起こるものであり、それが脳細胞、ひいては脳組織の正常と異常に関与していると考えられます。そこで現在私達は、分子・細胞生物学的手法を駆使し、このような脳細胞の内外の環境に対する変化の研究を行っています。