Research Results 研究成果
理化学研究所(理研)多细胞システム形成研究センター感覚神経回路形成研究チームの今井猛チームリーダー(九州大学大学院医学研究院教授)、岩田辽访问研究员らの共同研究チームは、哺乳类の嗅覚一次中枢である嗅球において、匂いの情报が神経细胞の発火タイミングに基づいて识别される仕组みを明らかにしました。
ヒトは、鼻腔の嗅上皮に存在する约400种类の嗅神経细胞によって匂いを検出します。嗅神経细胞によって受容された情报は嗅覚一次中枢である脳の嗅球へと入力されますが、嗅球でどのような情报処理が行われて、匂いの认识に至るのかは十分に解明されていません。脳の神経细胞は、一过性の电気的活动である発火を用いて情报伝达を行います。感覚情报が脳に入力されると、情报を受け取った神経细胞は発火频度や発火タイミングを変化させることが知られています。个々の神経细胞が情报をやりとりする上で、発火频度の重要性は理解されていますが、発火タイミングの制御机构や役割についてはよく分かっていませんでした。
今回、共同研究チームは、匂い情报処理の一次中枢である嗅球の糸球体において僧帽细胞の活动を计测しました。その结果、発火频度はダイナミックに変化していることが分かりました。一方、発火タイミングは极めて安定で、匂いの种类をより正确に区别できることが明らかになりました。匂い刺激がやってくると、僧帽细胞は匂いの种类に応じて、呼吸サイクルの特定のタイミングで発火します。匂いの浓度を変化させると、発火频度は変化するものの、発火タイミングは変化しませんでした。さらに、嗅神経细胞には「机械刺激受容」という、呼吸に伴う空気の流れを検出する仕组みが备わっており、この入力がいわばペースメーカーとなって正确な発火タイミングが刻まれていることが分かりました。例えば、バナナの香りは近くで嗅いでも远くで嗅いでもバナナに感じられるというように、匂いの质が浓度によって変わらない仕组みはこれまで大きな谜とされてきました。今回の结果は、匂いの浓度が変化しても种类が変わらないように感じられる理由の一つは発火タイミングが安定していることであることを示しています。今后、発火タイミングを厳密に制御する神経回路机构を解明することで、神経回路における演算原理の理解や脳情报の解読につながると期待できます。本研究成果は、米国の科学雑誌『狈别耻谤辞苍』(12月6日付け:日本时间12月7日)に掲载されました。
本研究は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業個人型研究(さきがけ)「末梢入力依存的に生じる神経回路形成のロジック」、日本学術振興会科学研究費補助金 若手研究A「嗅球における匂い情報の時間コーディングを支える神経基盤(研究代表者:今井猛)」、新学術領域「スクラップ&ビルドによる脳機能の動的制御(研究代表者:榎本和生)」、特別研究員奨励費「匂い情報の時間コード化を実現する神経回路メカニズムの解明(特別研究員:岩田遼)」、ブレインサイエンス振興財団「匂い情報の時間表現を支える神経回路の解明」の支援を受けて行われました。
図1 哺乳類の嗅神経細胞と僧帽細胞における匂い情報処理
上段)哺乳类では、匂いはまず嗅上皮の嗅神経细胞によって検出される。嗅神経细胞は、ヒトで约400种类、マウスで约1,000种类あり、それぞれ异なる匂い分子の検出を行っている。嗅神経细胞の轴索は嗅球の糸球体という构造で、次の神経细胞である僧帽细胞の树状突起に连络している。
下段)匂い分子は呼吸サイクルごとに鼻腔に取り込まれて受容されており、特定の种类の嗅神経细胞を発火させる。僧帽细胞では多くの糸球体で発火频度の上昇が観察されるが、同时に発火タイミングの変化(呼吸サイクルに対して前进もしくは遅延)が起こることも知られている。今回の研究では、2光子カルシウムイメージングによって発火の波を捉え、波の立ち上がりの点を発火タイミングと定义して解析を行った(右の枠内)。
図2 マウス僧帽細胞において観察される匂い刺激に対する発火タイミングの安定性
础)発火频度と発火タイミングの経时的な安定性。マウスに20呼吸サイクルにわたって同じ匂いを嗅がせると、発火频度は次第に変化していき、最初と最后のサイクルにおける発火频度パターンは大きく异なってくる。一方、発火タイミングに着目すると、最初から最后まで常に一定に保たれている。
叠)匂いの浓度による発火频度と発火タイミングの変化。マウスにさまざまな浓度の匂いを嗅がせると、発火频度は浓度によって大きく変化する。一方、発火タイミングは浓度を変化させてもほとんど変化しない。
颁)动物が匂いの源を见つける场合、繰り返しその匂いを嗅いで探索する必要がある。発火频度は、繰り返し匂いを嗅いだり途中で浓度が変化したりすると、そのパターンが変化する(例えば、リンゴの匂いがリンゴでなくなる)。一方、発火タイミングに着目すると、ほとんど一定に保たれている(リンゴの匂いは浓くても薄くても、时间が経ってもリンゴ)。こうしたことから、动物は発火タイミングに基づいて匂いの种类を同定しており、これが安定なために混乱することなく匂いの探索が可能になっていると考えられる。
図3 僧帽細胞における発火の波と発火タイミングに基づく匂い情報表現
础)呼吸に伴う机械刺激によって生じる発火の波。异なる糸球体で呼吸によって生じる発火の波を観察したところ、糸球体ごとに异なるタイミング(位相)で発火の波が生じることが分かった。
叠)机械刺激によって生じる発火の波がある条件とない条件とで、匂いに対する僧帽细胞の応答を観察した。机械刺激による発火の波がない条件では、発火のタイミングが毎回同じにならない(図は同一条件で行った6回の结果を示す)。すなわち、机械刺激の入力があった方が正确に発火タイミングを刻むことができる。図ではカルシウムイメージングのデータを波形で、立ち上がりのタイミング(発火のタイミング)を縦线で示している。
颁)呼吸の吸気速度を上げても発火のタイミングは変化しないが、匂いを嗅いだときだけ発火のタイミングが変化する。この発火タイミングが匂いの种类を反映していると考えられる。一方、机械刺激によって生じる発火の波をなくすと、発火タイミングを何度も続けて正确に刻むことができなくなる。すなわち、机械刺激による発火の波は、匂いの种类を安定的に表现するためのいわばペースメーカーとして重要な役割を担っていると考えられる。