成果情報 光照射とfMRIでサルの脳内ネットワークを明らかに―霊長類におけるオプトfMRI技術に進展―

自然科学研究機構
日本医療研究開発機構

1. 光照射によって、特定の神経細胞の活動を制御した時のサルの脳全体の活動をfMRIで可視化することに成功しました。
2. 大脳皮質運動野を光で活性化すると小脳に強い活動が観察され、両部位の間に強い機能的繋がりがあることが確認されました。
3. 大脳皮質運動野の手や脚の運動に関わる部位をそれぞれ活性化することにより、大脳皮質運動野の情報を受ける身体の「地図」が小脳にあることが確認されました。

脳全体の活動を同時に計測する手法として機能的磁気共鳴画像法（fMRI）が広く用いられていますが、近年、神経細胞の活動を光で制御するオプトジェネティクス（注1）とfMRIを組み合わせた新しい脳機能解析技術がげっ歯類の研究で活用されるようになり、脳神経ネットワークの理解に新しい展開がもたらされています。一方、この技術は、ヒトに近いサルなど霊長類に対しては困難とされ、この10年間成功例が報告されていませんでした。今回、自然科学研究機構生理学研究所の郷田助教、南部教授、定藤教授らの研究チームは、効率的なオプトジェネティクスと超高磁場7テスラMRIとを組み合わせ、サルの大脳皮質運動野を光で活性化したときの脳全体の活動を可視化することに成功しました。

機能的磁気共鳴画像法（fMRI）は、脳全体の活動を同時に計測することができる手法で、ヒトや動物の脳を調べる研究に広く用いられています。一方で、特定の光を照射することによって神経細胞の活動を人為的に制御できる、オプトジェネティクスと呼ばれる技術も発達しています。近年、fMRIをオプトジェネティクスと組み合わせた新しい脳解析技術（オプトfMRI）がマウスやラットの研究で用いられるようになり、脳の中の特定の神経集団の活動を光で制御して、その活動が伝わる脳のネットワークなどを明らかにすることが可能になりました。光刺激は電気刺激とは異なり電磁気ノイズを出さないため、高磁場を使うfMRIとは相性が良い方法です。この技術をヒトに近い脳を持つサルなどの霊長類に適用する試みもなされてきましたが、脳が大きいこと、透明度が低いこと、光受容体の発現が低いなどのせいか、成功例は非常に少なく、技術的に実現困難だとする説も唱えられてきました。

これまで、自然科学研究機構生理学研究所の南部教授らの研究チームは、オプトジェネティクスを用いた研究に取り組んでおり、2020年には、オプトジェネティクスのための効率的なウイルスベクター（注2）、目的部位への正確なウイルスベクターの注入法、効率的な光照射方法などを開発し、これを用いてサルの大脳皮質運動野を光で活性化することにより、手の運動を引き起こすことに成功しています（2022年6月22日AMEDプレスリリース「神経細胞を光によって操作し、サルの手を動かすことに成功」参照）。

今回、南部教授らの研究チームと、fMRIを専門とする同研究所の定藤教授らの研究チームとが共同して、オプトジェネティクスと超高磁場7テスラMRIを組み合わせ、サルの大脳皮質運動野を光で活性化した時の脳全体の活動を可視化することを試みました。

麻酔によって安静にしたサルの大脳皮質運動野をオプトジェネティクスによって光で活性化し、そのときの脳活動を高感度fMRIで計測したところ、大脳皮質運動野に加えて小脳の一部に強い活動があらわれることがわかりました（図1）。小脳は身体の運動において重要な働きをする脳の部位の一つです。小脳は大脳と直接には繋がっていないことが知られていますが、今回の結果は、大脳皮質運動野と小脳の特定の部位の間に強い機能的な繋がりがあることを示しています。また、大脳皮質運動野の中でも手・脚などの運動に関わる部位をそれぞれ光で活性化すると、小脳においてもそれぞれ異なる部位が活動しました（図2）。このことは、小脳に、大脳皮質運動野と繋がった手・脚などの身体部位の「地図」があることを明確に示しています。この「地図」は、過去のサルの神経連絡を調べた解剖学的研究や運動時の神経活動を調べた研究、ヒトの運動時の脳血流変化を調べたfMRI研究で報告されている身体の「地図」ともよく対応していました。

本研究の成果は霊長類を対象としたオプトジェネティクスとfMRIの組み合わせ技術であるオプトfMRIを大幅に進展させるものであり、サルなどの霊長類から得られた知見と、ヒトについての知見との橋渡しに貢献するものと期待されます。南部教授は「今回の私たちの成果は将来的に脳深部刺激療法（注3）などのヒトの病気治療への応用に繋がる可能性があります。」と話しています。

脳のどことどことが繋がっているのかネットワークを明らかにすることは、脳研究の基本です。従来の方法では、脳の一部を活性化させ、他の脳領域を順に調べていく必要がありました。今回のオプトfMRI方法を用いれば、光で活性化した時の脳全体の活動を可視化することができ、研究が大いに進展することが期待できます。またオプトジェネティクスが霊長類で実用化され、その影響を全脳で調べることができることにより、脳深部刺激療法などの病気治療への応用に期待できます。

本研究は、AMED脳とこころの研究推進プログラムである「戦略的国際脳科学研究推進プログラム（国際脳）」：JP18dm0307005、「革新的技術による脳機能ネットワークの全容解明（革新脳）」：JP21dm0207115、CREST「オプトバイオ」（光の特性を活用した生命機能の時空間制御技術の開発と応用）：JPMJCR1853、科学研究費助成事業（20K06933、19KK0193、19K22985）などの支援を受けて実施されました。

論文タイトル

Cerebro-cerebellar interactions in non-human primates examined by optogenetic functional magnetic resonance imaging

著者

Naokazu Goda, Taku Hasegawa, Daisuke Koketsu, Satomi Chiken, Satomi Kikuta, Hiromi Sano, Kenta Kobayashi, Atsushi Nambu, Norihiro Sadato, Masaki Fukunaga

雑誌名

Cerebral Cortex Communications

DOI番号

10.1093/texcom/tgac022

掲載日

2022年 5月25日

（注1）オプトジェネティクス

特定の細胞群や神経経路のみに光で活性化する物質を発現させることにより、光照射のオン／オフによって細胞の活動を制御（興奮や抑制）する技術。

（注2）ウイルスベクター

遺伝子の運び屋。遺伝子を細胞に導入するという、ウイルスが本来持っている性質を利用する。このうちアデノ随伴ウイルスベクターは病原性もなく安全とされており、ヒトの遺伝子治療にも用いられている。

（注3）脳深部刺激療法

パーキンソン病などの運動異常症の患者に対して、脳の深部に刺激電極を埋め込み連続的に電気刺激を加えることにより、症状を改善する脳外科的治療法。

研究に関すること

郷田 直一（ごうだ なおかず）
自然科学研究機構 生理学研究所 心理生理学研究部門 助教
TEL：0564-55-7845   FAX：0564-55-7843
E-mail：ngoda"AT"nips.ac.jp

報道に関すること

自然科学研究機構 生理学研究所 研究力強化戦略室
TEL：0564-55-7722　FAX：0564-55-7721　
email：pub-adm"AT"nips.ac.jp

AMED事業に関すること

日本医療研究開発機構（AMED）
疾患基礎研究事業部 疾患基礎研究課 脳とこころの研究推進プログラム（戦略的国際脳科学研究推進プログラム）
〒100-0004 東京都千代田区大手町1-7-1 読売新聞ビル
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