東大、昆虫の体性感覚神経回路の構造を解明 -哺乳類との高い類似性を発見

東京大学は、同大学分子細胞生物学研究所の伊藤啓准教授、坪内朝子 脳神経回路研究分野研究員(研究当時)、矢野朋子氏らの研究チームが、キイロショウジョウバエを使って昆虫の体性感覚神経回路の構造を解明し、哺乳類のそれと極めて類似性が高いことを明らかにしたと発表した。

体性感覚神経の軸索の末端が胸腹部神経節に作る層状構(出所:日本医療研究開発機構Webサイト)

目・耳・鼻・口といった特定の感覚器官で検知される他の感覚と異なり、体性感覚は体中に散在するさまざまな感覚器官が脳に情報を送る複雑な構造をしている。哺乳類は、体にある感覚器官から脊髄を通って脳に至る神経の大まかな経路はわかっているが、その経路を構成する個々の神経細胞の詳しい構造や、刺激に対する反応の仕方などを調べることは、実験技術的に困難が多く、まだ多くが未解明である。

研究チームは、キイロショウジョウバエを使って一部の種類の細胞だけで遺伝子の発現を誘導できるような、遺伝子組み換え系統を大量に作製してスクリーニングすることによって、すべての種類の体性感覚細胞をそれぞれ特異的に標識して、中枢神経系に伸びる神経線維を解析することに成功した。

また、人間の脊髄に相当する昆虫の胸腹部神経節で体性感覚細胞からの情報を受け取って脳に伝える二次神経も標識して解析した。これにより、末梢の感覚器官から脳にいたる神経回路の構造が初めて明らかになった。

末梢から直接脳に伸びる一次感覚神経と胸腹部神経節から脳に伸びる二次介在神経が、体の部位や情報の種類ごとに脳の異なる場所に線維を伸ばす(出所:日本医療研究開発機構Webサイト)

今回の研究の手法では、発見されたそれぞれの種類の神経細胞だけで好きな遺伝子を発現させることができる。これを利用して、神経の活動度に応じて蛍光強度が変化するタンパク質を発現させてハエが歩いたり飛んだりするときに、どの神経がどのように反応するかや、神経の電位変化を阻害するタンパク質を発現させてどの神経の機能を止めるとどのような行動変化が起きるかを調べた結果、体性感覚に関する情報が神経の種類ごとに複雑なパターンで送られていることが判明した。

昆虫と哺乳類の体性感覚神経回路の比較(出所:日本医療研究開発機構Webサイト)

このように特異的な神経だけを体系的に操作する実験は、哺乳類の実験動物では非常に難しく、今後はショウジョウバエ系統を使って、体性感覚のさまざまな情報処理メカニズムを神経細胞レベルで解明する研究が盛んになると予想されるとしている。

この研究で明らかになった「感覚器官の種類ごとに中枢神経系の異なる場所に情報が伝えられる」、「体の場所ごとに異なる場所に情報が伝えられる」、「同じ種類の感覚器官から異なる経路で送られる情報は、脳の同じ場所に伝えられる」といった基本構造は、哺乳類の神経系でも同じである。

さらに、感覚器官から中枢に伸びる神経の末端部は、温度や痛みを感じる細胞、脚や翅にある味覚細胞、体毛の接触を検出する細胞、表皮の変形を検出する細胞、関節の曲がりや動きを検出する細胞の順に層を作っており、この順番は哺乳類と昆虫で同じであった。五感の他の全ての神経回路でも高い類似性が見つかっていることを考えると、ばらばらの進化の末に偶然による収斂進化が全ての場所で一致して起こったとは考えにくく、基本的な五感の処理機能を備えた脳を持つ共通の祖先がいたと考える方が自然である。

昆虫や哺乳類にいたる進化の道のりの概略(出所:日本医療研究開発機構Webサイト)

今年のノーベル医学生理学賞の対象となった体内時計は、最初にショウジョウバエで発見された仕組みが人間でも共通であることが知られている。この研究成果は、昆虫と人間が体の仕組みだけでなく脳の仕組みにおいても予想以上に似通っていることを示していると説明している。



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