脳神経細胞を形づくるシステム

生体から学ぶ

今、知能システム工学専攻では、多くの人にとって使いやすく、柔軟なマルチメディアやメカトロニクスをどのように作るかということを課題としています。その一つのアプローチとしてヒトや生物の知能から学ぶことで、これに基づいた新しいシステムを創出するという試みが考えられます。私の研究室では神経形態制御に関する研究を行っています。脳神経回路を形成・維持している機構を分子レベルで解明することは、脳の形成や記憶、学習といった生物の知能システムを構築するうえでの鍵となります。

神経細胞で働く分子

例えば、脳の働きをつかさどる神経細胞には情報を受け取る樹状突起と続く細胞に情報を受け渡す軸索突起という二種類の突起があります。神経回路形成の過程で、神経細胞はこの樹状・軸索突起を伸長して、情報伝達に必要な方向性を持った回路が構築されます。ここで、個々の神経細胞の中でそれぞれの突起に異なった生体分子が分配されることが樹状・軸索突起の機能の違いを生み出すと考えられます。

神経細胞の成長と生存に不可欠な分子には、神経細胞体で作られ、軸索の中を細胞の骨格である微小管（レール）に沿って〝輸送〟されるものがあります。この〝輸送〟に重要な役割を担うのがモーター分子（キネシン）です。キネシンは荷車としてさまざまな生体分子と結合して物質の輸送に関わっており、このキネシンの車輪に相当する部分には、軸索突起と樹状突起を見分ける機能があることが報告されていました。しかし、どのように違いが見分けられるのかは明らかになっていませんでした。そこで、この認識に関わるキネシンの領域を探索し、微小管との結合を調べることで一連の機構の役割を明らかにしました。

新たな発見を社会貢献に

研究の結果、この結合には軸索突起と樹状突起を認識する特異的なアミノ酸配列があることがわかり、この配列を変化させてしまうと、通常は軸索突起のみにあったキネシンが軸索・樹状突起の両方に分配されることが判明しました。さらに、キネシンは微小管のレール上を構成するタンパク質の標識の違いを認識することで、軸索突起と樹状突起を見分け、神経細胞の中で必要な場所に分子を分配していることが分かりました。このような機構は神経突起の運命決定や伸長の制御、つまり神経回路の構造を維持するのに非常に重要であることが分かってきています。

神経や筋肉など多様な細胞を生み出す能力を持つiPS細胞は、組織や臓器の再生医療への応用が期待されています。脳においてもパーキンソン病やアルツハイマー病など神経細胞が脱落してしまう神経変性疾患において、新しい神経細胞を供給する試みが考えられます。しかし、脳の神経細胞には綿密な繋がりがあるので、減った細胞を増やすだけでは完全に回路を元に戻すことができません。神経細胞の形態を制御するシステムの理解を通じて、神経回路の再生を可能にする技術や、神経老化や神経変性疾患を防ぐ新しい糸口が得られればと考えています。