脳の「スイスアーミーナイフ」：星型細胞が記憶の理解をどのように変えるか

脳はどのようにして記憶を保存し、それにアクセスするのでしょうか。脳組織を摘出して何が起こるかを調べていた時代に比べると、脳に関する理解は（ありがたいことに）大きく進歩しましたが、記憶がどこに保存されているか、また脳が過去の経験をどのように思い出すかを正確に理解することは、いまだに困難です。

11月6日にネイチャー誌に掲載された新しい論文では、特徴的な星型から名付けられたアストロサイトと呼ばれる細胞が、マウスの記憶の処理と保存において果たす役割について調査している。この研究は、これらの細胞が記憶の形成と保存の両方に関与していることを示唆しており、記憶はニューロンにのみ保存されるという定説に異議を唱えている。

論文の筆頭著者であるベンジャミン・デニーンは、ポピュラーサイエンス誌に対し、神経科学の初期の研究では、ニューロンに重点が置かれ、他の細胞は比較的重要でない支持構造として扱われる傾向があったと語っている。しかし、脳の複雑さに対する理解が深まるにつれ、ニューロンは確かに重要だが、脳の機能に寄与する細胞はニューロンだけではないという事実に対する認識も深まった。特に、アストロサイトがその一例であるグリア細胞と呼ばれる非ニューロン細胞の役割は、全面的に再検討されてきた。

「[アストロサイト]は長い間、脳内の一体化したサポート細胞だと考えられてきました」とデニーン氏は言います。しかし、彼は続けて、「アストロサイトに関する私たちの知識は、動的な生理学的活動、回路機能における重要な役割、多様な分子特性の特定によって、過去20年間でルネッサンス期を迎えました。」

現代の理解では、アストロサイトは脳内のさまざまな機能を担っているようです。実際、その機能は非常に多いため、その機能について簡単に答えるのは難しい場合があります。「私の見解では、アストロサイトは脳の『スイスアーミーナイフ』のようなものです」とデニーンは言います。「アストロサイトは脳内のほぼすべての細胞と相互作用し、1 つのアストロサイトは最大 10 万個のシナプスと接触することができます。」彼は、アストロサイトが担う重要な活動の例をいくつか挙げています。「血液脳関門の形成に不可欠な役割を果たしています。ニューロンの代謝サポートを提供し、イオンを緩衝し、イオン勾配を維持します。損傷や変性に反応します。損傷やその他の障害に反応して脳内の常在免疫細胞と相互作用します。」

しかしながら、その重要性にもかかわらず、アストロサイトが記憶の形成と保存にどのように関与しているかについては、まだ研究が始まったばかりです。

脳が記憶を保存する仕組みに関する一般的な理解は、記憶は「エングラム」と呼ばれる独自のニューロン ネットワークで脳全体に分散されているというものです。デニーン氏は次のように説明しています。「細胞レベルでは、すべての記憶は、脳のさまざまな領域に分散しているさまざまなニューロンの集合体、つまりエングラムで構成されています。重要なのは、1 つのニューロンが複数のエングラムに参加できるが、各エングラムは独自のニューロンの集合体で構成されていることです。」

この研究では、マウスの脳内のアストロサイト、特に「学習関連アストロサイト」または LAA として知られる特殊な種類が、学習体験中および学習体験後にどのように作用するかを調べた。研究者らは、そのような体験中にこれらの LAA の一部が活性化されることを発見した。異なる環境で LAA を再活性化すると、記憶の想起と関連する学習が刺激されるようだ。

研究者らはまた、学習体験によって活性化された LAA が、NFIA と呼ばれる遺伝子によって発現されるタンパク質を高レベルで維持していることを発見しました。このタンパク質の生成を防ぐことで、問題の学習体験の記憶を思い出すことができなくなります。

この証拠から、アストロサイトは記憶の保存と想起の両方に役割を果たしていることがわかります。これは、記憶はエングラムとして保存されるという一般に受け入れられている理論とどのように一致するのでしょうか。

「これは、現在研究室で取り組んでいる問題です」とデニーンは笑いながら言う。「この問題を考える一つの方法は、アストロサイトがニューロンに『耳を傾け』、機能する回路の要求に応じて反応するという事実に立ち返ることです。学習状況では、ニューロンの集団が記憶エングラムを形成しており、ニューロンは記憶の一部をアストロサイトに『オフロード』する必要がある可能性があり、アストロサイトは特定のエングラム ニューロンによって保存された情報の保管庫または貯蔵庫として機能します。」

いずれにせよ、記憶の仕組みの微妙な部分については、まだ解明すべきことがたくさんあることは明らかです。また、アストロサイトが関与しているように見えることから、多くの新たな疑問が浮かび上がり、多くの可能性が示唆されています。「アストロサイトが記憶の想起に関与していることは明らかです」とデニーンは言います。「アストロサイトが実際に記憶を蓄えているのか、それとも記憶を想起するための導管として機能しているのかは不明です。おそらく、アストロサイトとニューロンの間には細胞レベルで何らかの「インデックス」があり、ニューロンが記憶の「情報」を近くにある多数の LAA に配布しているのでしょう。」

アストロサイト自体についても、答えるべき疑問がまだたくさんあります。たとえば、LAA は確かに特殊化した細胞ですが、明確に区別された、あらかじめ決められたタイプのアストロサイトがあるのか​​、それとも、必要な役割を果たすために進化する単一の細胞があるのか​​は、一概には言えません。「私は 20 年以上、アストロサイトがどのように作られ、何をするのかを研究してきました」と Deneen 氏は言います。「これは簡単に答えられる質問ではありません。アストロサイトにはさまざまなサブタイプがあると思いますが、白か黒かという問題ではありません。アストロサイトのさまざまなサブタイプが発達的にコード化されているという証拠があります。しかし、この「多様性」が、ハードワイヤードであらかじめ決められた状態を反映しているのか、それとも、ローカル環境への適応なのかは、まだ議論の余地があります。」