研究目的
記憶という現象を理解すること。その理解を通じて、神経精神疾患などでの記憶障害の克服に貢献すること。
背景
脳内に存在する多数の神経細胞は、情報を伝達することで、感覚処理・認識・記憶・判断などの多様な脳の高次機能を発揮しています。その情報伝達の場となっているのが、神経細胞同士の接合部位であるシナプスです。中枢神経系の興奮性シナプスの場合は、情報の発信側である軸索末端に対して受け手側は1ミクロン（マイクロメーター、千分の１ミリ）程度の膨らみである樹状突起スパインを形成しています。
シナプス伝達には長期可塑性という現象が知られています。シナプスの伝達強度がある一定の強い（弱い）刺激によって、それ以後は前より効率よく（低く）伝達するようになるLTP(LTD)という現象です。これが、記憶などの脳の機能の基盤となると考えられています。（なお、現在では長期可塑性と呼ぶのは、電気生理学的に観測される即時の変化とその維持であるLTP(LTD)をさすことが通例ですが、原理的には、蛋白質の組成の変化やスパインの形態変化による、即時または徐々におきて保持される効率変化も含む大きな概念であるはずです。）
この、シナプス長期可塑性については、脳の組織を取り出した実験で主に研究されており、実際の脳内で、いつ、どこに、どのように起こるのか詳しいことは分かっていません。生体内でのシナプスの、刺激に伴う変化を理解することは、記憶現象の本質を理解することにつながります。また、記憶能の破綻をともなう神経精神疾患の理解につながり、記憶障害の克服に役立つ可能性があります。
方法
薬理学講座では、記憶を保持する神経細胞・スパインを長期的に、簡便に観察する手法の開発を目指してきました。これまでに山田のグループでは、Arcという遺伝子を発現する細胞の一部に記憶保持細胞に期待される性質がみられること（参考文献１）また、LTP（記憶の基盤とされるシナプスの長期的伝達増強）を起こした部位のスパイン（シナプスの膨らみ）でCapZというタンパク質が発現増加すること（参考文献２）を見出してきました。これらの知見に基づいて、緑色蛍光タンパク質EGFPを応用した遺伝子組み換えマウス（Arc::EGFP-CapZ TG）を作製し活動した細胞/LTPを起こしたスパインを可視化することを目指してきました。
作製したTGマウス（Arc-induced CapZ linked EGFP Transgenic mouse、略称AiCE-TGマウス）の脳内には、学習後に緑色蛍光強度が高い少数の神経細胞/スパインがあるため、それが記憶をになう細胞/スパインである可能性を考えています。なお、AiCE-TGでは、作成時に工夫したためか、安定かつ明瞭な蛍光が数年以上保持されています。
これまでに
意外と単純な新規刺激の入力（視覚野へ視覚パターン提示、感覚野へ感覚刺激）によっても、15－20分で、AiCE-TGの脳・スパインで起こるEGFP-CapZ変化を観察することができ、論文に報告しました。Scientific Reports, 10:15266, DOI：10.1038/s41598-020-72248-4
（日本語での論文内容解説はこちら）
より長期的にも（2時間、6時間、24時間）、可塑的変化が起こり維持されていると考えられる結果が示されています。こういった分子変化は、（「記憶」と言うべきか解析は途上ですが、）なんらかの刺激の足跡として、脳の可塑性を理解する重要な切り口になるはずです。
今後は
研究展開の方向性として、緑色蛍光強度の変化の観察と、動物行動・分子生物学・組織化学・生化学・ライブイメージングなどの手法とを組み合わせた解析が考えられます。また、薬物投与や遺伝子改変マウスなどによる統合失調症様などの記憶障害モデルで、これらのEGFPシグナルがどう変化しているのかを検討し、興味深い結果を得ています。基礎的に解明すべきことも多く残されていますが疾患の治療のためのツールとしても役立てられる可能性に期待しています。
共同研究にご興味のある方は、まずはお気軽にお声がけください。( makiky at kph.bunri-u.ac.jp ; at=@ )
山田の責任著者論文からの参考文献（東大薬在任時+JSTさきがけ研究の支援により）
１．タスク依存にArc陽性細胞のごく一部のスパインで、LTPが発生したと考えられる膨大化が観察されたことを報告した論文（Cereb Cortex 19: 2572–2578, 2009）
２．CapZという分子がLTPを起こした部位のスパインで増加することを見出した論文（Genes Cells 15: 737-747, 2010）
