小さなオタマジャクシの胚は豆のように見えました。ある日、まだ心臓さえありませんでした。その上に乗った白衣と手袋姿の研究者は、その頭部が形成される正確な外科的切開を行った.しばらくして、脳はなくなりましたが、胚はまだ生きていました.
タフツ大学アレン・ディスカバリー・センターの神経科学ポスドクであるセリア・エレーラ・リンコンは、簡単な手順でスペインのマドリッド近くの山にある田舎の家に戻りました。彼女が 11 歳のとき、森の中で犬を散歩させているときに、ヘビ Vipera latastei を見つけました。 .それは美しかったが、死んでいた。 「頭の中にあるものを見たいと思ったのです」と彼女は回想する。彼女は包丁とピンセットを使って最初の「実験室試験」を行い、それ以来、脳のさまざまな形と進化の形態に魅了されてきました。彼女のコレクションには現在、あらゆる種類の生物の脳が約 1,000 個含まれています。
しかし、今回は脳そのものには興味がなく、アフリカツメガエルが脳なしでどのように発達するのかに関心がありました。彼女と彼女のスーパーバイザーであり、ソフトウェア エンジニアから発生生物学者に転身したマイケル レビンは、脳と神経系が出現する臓器、手足、その他の構造の形状とアイデンティティを決定するパターンを構築する上で重要な役割を果たしているかどうかを調査しています.
過去 65 年間、発生生物学の焦点は、生物学的情報の担体としての DNA に向けられてきました。研究者は通常、遺伝子発現パターンだけで胚発生を決定するのに十分であると想定してきました.
しかし、レビンにとって、その説明は満足のいくものではありません。 「形はどこから来るの？ゾウとヘビの違いは何ですか？」彼は尋ねた。 DNA は細胞内でタンパク質を作ることができますが、「ゲノムには解剖学的構造を直接特定するものは何もありません」と彼は言いました。組織が適切に発達するためには、胚の他の情報源から来なければならない空間的な手がかりが必要である、と彼は主張する.彼と彼のチームは、そのガイダンスの少なくとも一部は電気的なものであると信じています.
近年、オタマジャクシやその他の単純な生物を研究することで、Levin の研究室は胚が生体電気信号、特に機能器官になるずっと前に若い脳から発せられる信号によって形成されているという証拠を集めました。これらの結果が他の生物で再現されれば、発達における電気現象と神経系の役割についての私たちの理解が変わる可能性があり、生物学においてより広く理解される可能性があります.
システム生物学研究所の分子生物学者である Sui Huang は、次のように述べています。 Levin の研究が続けば、Huang は続けて、「多くの発生生物学者は、ボディプランの構築が細胞の局所的な調節によるものではなく、脳によって中央で調整されていることを知って唖然とするでしょう。」
発生における生体電気の影響
スペインの神経科学者でノーベル賞受賞者のサンティアゴ・ラモン・イ・カハールはかつて、神経信号を処理して伝達する電気的に活性な細胞である脳とニューロンを「魂の蝶」と呼んでいました。脳は情報処理、記憶、意思決定、行動の中心であり、電気はこれらすべての活動のパフォーマンスに影響を与えます。
しかし、生体電気信号を使用するのは脳だけではなく、体全体が使用しています。すべての細胞膜には、イオンチャネル、荷電分子またはイオンの経路として機能するタンパク質細孔が埋め込まれています。細胞内外のイオン数の違いにより、細胞の静止電位である電気勾配が生じます。イオンチャネルを開いたり遮断したりしてこの電位を変化させると、周囲の細胞に、細胞から、細胞間で伝達されるシグナルが変化します。ニューロンもこれを行いますが、さらに高速です。ニューロン間で通信するために、電圧スパイクに応答してシナプスで放出される神経伝達物質と呼ばれる分子を使用し、軸索に沿って長距離にわたって超高速の電気パルスを送信し、情報をコード化します。筋肉の活動を制御するためのパルスのパターン。
レビンは、1980 年代半ばからニューロンのネットワークをハッキングすることを考えていました。当時、彼はボストン近郊の郊外の高校生で、お小遣い用のソフトウェアを書いていました。ある日、Expo 86 で父親と一緒にバンクーバーの小さな書店をブラウジングしているときに、The Body Electric という本を見つけました。 ロバート・O・ベッカーとゲイリー・セルデン著。彼は、1780 年代にルイージ ガルバーニが彼が「動物の電気」と呼んだものによって神経が活性化されることを発見して以来、科学者が何世紀にもわたって生体電気を調査してきたことを知りました。
しかし、Levin がこのテーマについて読み進めていくと、脳は情報処理に電気を使用しているにもかかわらず、体の発達に関する情報を運ぶ生体電気の役割を真剣に研究している人は誰もいないことに気付きました。 「組織がどのように情報を処理し、どの組織が神経系や脳を進化させる前に「考えていた」のか」を理解できたら、それは素晴らしいことだと彼は考えました.
彼はさらに深く掘り下げ始め、最終的にハーバード大学で形態形成の生物学博士号を取得しました。これは生物の形の発達に関する研究です。彼は、神経の活動電位を発見した 19 世紀のドイツ人医師、エミル・デュ・ボア・レイモンドのような科学者の伝統に従って研究を行った。 1930 年代から 40 年代にかけて、アメリカの生物学者であるハロルド バーとエルマー ルンドは、胚発生中のさまざまな生物の電気特性を測定し、生体電気と動物の形との関係を研究しました。リンクを証明することはできませんでしたが、正しい方向に進んでいたとレビン氏は言います。
遺伝子が支配する前
Burr と Lund の研究は、発生学への関心が広まった時期に行われました。エニグマ暗号の解読で有名な英国の数学者アラン・チューリングでさえ、発生学に魅了されました。 1952 年に彼は、彼がモルフォゲンと呼んだ拡散物質の化学反応から、色素斑やシマウマの縞模様のような体のパターンが生じることを示唆する論文を発表しました.
しかし、モルフォゲンや生体電気などの有機的な説明は、長く脚光を浴びることはありませんでした。 1953 年にジェームズ ワトソンとフランシス クリックが DNA の二重らせん構造を発表して以来、「発生生物学の焦点は、生物学的情報のキャリアとしての DNA にあり、細胞は自身の内部遺伝プログラムに従うと考えられ、局所環境と隣接細胞からの手がかりによるものです」と Huang 氏は述べています。
Pulse Biosciences の最高科学責任者であり、カリフォルニア大学デービス校の分子生物学の元教授である Richard Nuccitelli によると、その理論的根拠は、「DNA は遺伝するものであるため、遺伝子に保存されている情報は、必要なものすべてを特定しなければならない」というものでした。開発する。」組織は、隣接する組織によって局所レベルで発達する方法を伝えられ、各領域はその細胞のゲノムの情報からパターン化されると考えられていました.
この見解の極端な形は、「『それは遺伝子または DNA にある』と言ってすべてを説明することであり、この傾向はますます強力で手頃な価格の DNA 配列決定技術によって強化されています」と Huang 氏は述べています。 「しかし、ズームアウトする必要があります。分子生物学が近視眼的なトンネル ビジョンを課す前は、生物学者は生物レベルの原則に対してはるかにオープンでした。」
Herrera-Rincon 氏などによると、現在は流れが変わりつつあるようです。 「ゲノムを生物学的情報の唯一の情報源と考えるのは単純すぎる」と彼女は述べた。たとえば、研究者は、神経系の発生情報源としてモルフォゲンの研究を続けています。昨年 11 月、Levin と Chris Fields は、生物学、物理学、コンピューティングが重なり合う分野で研究している独立した科学者であり、細胞の細胞質、細胞骨格、および内膜と外膜の両方が重要なパターニング データをエンコードし、システムとして機能していると主張する論文を発表しました。
そして、重要なことに、生体電気も復活しました。 1980 年代と 90 年代に、Nuccitelli は、海洋生物学研究所の故 Lionel Jaffe、アバディーン大学の Colin McCaig などと共に、印加電場を使用して、多くの細胞が生体電気信号に敏感であり、電気が非再生種の四肢再生を誘導します。
日本の国際医療福祉大学の山下雅之氏によると、多くの研究者は、ニューロンだけでなくすべての生きている細胞が細胞膜を横切って電位を生成することを忘れています。 「この電気信号は、細胞間コミュニケーションの環境合図として機能し、形態形成と再生中の細胞の挙動を調整します」と彼は言いました。
しかし、この生体電気シグナル伝達がなぜ、どのように機能するのかを本当に確信している人は誰もおらず、情報の流れは非常に局所的であると信じている. 「以前の実験で適用された電気は、細胞内の何かと直接相互作用し、細胞の反応を引き起こしました」と彼は言いました。しかし、それが何とやり取りしていたのか、どのように反応が引き起こされたのかは謎でした.
それが、レビンと彼の同僚が細胞の休眠可能性をいじくり回し始めた理由です。扁形動物の細胞の電圧を変化させることで、ここ数年で頭が 2 つある虫や、尾が予想外の場所にある虫が生まれました。オタマジャクシでは、器官全体のレベルで細胞の大規模なグループのアイデンティティを再プログラムし、余分な脚を備えたカエルを作り、腸組織を目に変えました — パターン情報を提供する局所的な生体電気活動をハッキングするだけです.
また、脳と神経系は電気的に非常に活発に活動しているため、研究者たちは、発達に影響を与える生体電気情報の長距離パターンへの関与を調査し始めました。 2015 年、Levin、彼のポスドク Vaibhav Pai、および他の共同研究者は、体からの生体電気信号が脳の発達とパターン形成を初期段階で形成することを実験的に示しました。オタマジャクシの頭から腸までの細胞の静止電位を変化させることで、脳の発達のための体の「青写真」を混乱させるように見えました。その結果、オタマジャクシの脳は小さくなり、存在しないことさえあり、脳組織は本来あるべきでない場所で成長しました。
単に細胞に方向性の手がかりを提供するだけの適用された電気による以前の実験とは異なり、「私たちの研究では、私たちが何を変更したか、つまり静止電位を知っており、それがどのように反応を引き起こすかを知っています。つまり、小さなシグナル伝達分子が細胞に出入りする方法を変更することによってです」と Levin 氏は述べています。言った。適切な電位により、神経伝達物質は膜内の電圧駆動ゲート (トランスポーター) に出入りすることができます。いったん入ると、それらは特定の受容体を誘発し、さらなる細胞活動を開始することができ、研究者は臓器全体のレベルでアイデンティティを再プログラムすることができます.
この研究はまた、生体電気が神経伝達物質のセロトニンを介して長距離にわたって機能することを示した、と Levin は述べた。 (その後の実験では、神経伝達物質である酪酸も関与していることが明らかになりました。) 研究者たちは、脳の近くの細胞の電圧を変化させることから始めましたが、次第にさらに遠ざかっていきました。非常に遠く離れた細胞の数です」と彼は言いました。 「離れたところにある細胞も脳の発達に重要であることを示しました。」
その後、レビンと彼の同僚は、実験をひっくり返すことにしました。脳は、全体の設計図ではないにしても、体の残りの部分のパターン化情報を少なくとも保持している可能性があるとレビンは尋ねました。もしそうなら、神経系は体の発達の初期段階でこの情報を生体電気的に広める可能性がありますか?彼は Herrera-Rincon に、彼女のメスを準備するように勧めました。
脳の欠落を補う
Herrera-Rincon の脳のない Xenopus laevis オタマジャクシは成長しましたが、わずか数日のうちに、すべてのオタマジャクシが非常に特徴的な欠陥を発症しました。脳の近くだけでなく、尾の端までも。彼らの筋肉繊維も短くなり、神経系、特に末梢神経が無秩序に成長していました。運動を損なう神経系の異常が発達中の体に影響を与える可能性があることは驚くべきことではありません.しかし、Levin 氏によると、彼らの実験で見られた変化は、神経系が完全に発達するよりもかなり前に、そして運動が始まるずっと前に、脳が体の発達を形成するのに役立つことを示しました.
南カリフォルニア大学の神経科学者であるギル・カルヴァリョ氏は、オタマジャクシの発生の非常に早い段階でこのような欠陥が見られることに興味をそそられたと述べています。 「もちろん、神経系と体の間の激しい対話は、発達後に非常に顕著に見られるものです.しかし、新しいデータは、「このクロストークが最初から始まっていることを示しています。これは、私たちが知っているほとんどの脊椎動物の生命にとって非常に中心的な脳と体の対話の始まりへの窓であり、非常に美しいものです。」この結果はまた、これらの神経伝達物質が、細胞の電圧変化によって引き起こされた後、細胞外空間を拡散するか、リレー方式で細胞から細胞へと移動することによって、離れた場所で作用している可能性を高めている、と彼は付け加えた.
Herrera-Rincon と他のチームのメンバーは、それだけにとどまりませんでした。彼らは、生体電気を使用して脳の効果を模倣することにより、これらの欠陥から発達中の体を「救う」ことができるかどうかを確認したかった.彼らは、HCN2 と呼ばれる特定のイオン チャネルを発現させることに決めました。HCN2 は、さまざまな細胞で異なる働きをしますが、静止電位に敏感です。 Levin は、イオン チャネルの効果を写真編集ソフトウェアの鮮明化フィルターに例えます。組織がどこに行くべきかの正しい境界を設定する胚の能力を本当に強化します。」
胚にHCN2のメッセンジャーRNAを発現させるために、研究チームは、受精後わずか2時間でカエルの卵細胞にHCN2のメッセンジャーRNAを注入した。 1日後、彼らは胚の脳を取り除き、次の数日間で、胚の細胞は膜中のHCN2から新しい電気的活動を獲得しました.
科学者たちは、この手順が脳のないオタマジャクシを通常の欠陥のほとんどから救うことを発見しました. HCN2 のおかげで、あたかも脳がまだ存在しているかのようで、正常に発達する方法を身体に伝えていました。 Levin 氏は、「このチャネルの非常に単純な表現だけで、どれだけの救済が得られるかを確認できたことは驚くべきことでした」と述べています。また、これは、脳が生体電気信号を介して胚の発育を制御しているという最初の明確な証拠でもあったと彼は付け加えた.
生物電気と再生に関するレビンの以前の実験と同様に、多くの生物学者と神経科学者は、それらを「新鮮」で「斬新」と呼んで歓迎しました。 「この作業は共通の道から外れているため、これが本当に一歩前進したとは言えません」と黄氏は述べています。しかし、オタマジャクシの脳を使った 1 回の実験では不十分であると彼は付け加えました。この発見が「分野の進歩と見なされ、一般性を確立する」ためには、哺乳類を含む他の生物で実験を繰り返すことが重要です。それでも、この結果は「まったく新しい調査領域と新しい考え方」を開くものだと彼は言いました。
カリフォルニア大学デービス校の生物学者で、電場の生物医学的応用と分子生物物理学の専門家である Min Zhao 氏は、Levin 氏の研究は、神経系が生物の自己構築方法においてこれまで考えられていたよりもはるかに重要な役割を果たしていることを示していると述べています。生体組織への影響。以前の実験的および臨床的証拠にもかかわらず、「この論文は、これが発生中の胚でも起こることを説得力のある方法で示した最初の論文です。」
「マイクの研究室の結果は、中枢神経系からの電気シグナル伝達が初期発生を形成することを実証することにより、フロンティアを廃止します」と、Institut de Biologie de Valrose CNRS の Olivier Soriani は述べています。 「生体電気活動は、臓器のパターン形成をコード化する新しいタイプの入力と見なすことができ、中枢神経系からの広範囲の制御が可能になります。」
Carvalho は、この研究が発達奇形や先天性欠損症の治療と予防に明らかな意味を持っていることを観察しました。特に、単一の神経伝達物質の機能を妨害するだけで、発達上の問題を防ぐのに十分な場合があることが示唆されているためです。 「これは、これらの欠陥に対する治療アプローチが、少なくともいくつかのケースでは、予想よりも単純である可能性があることを示しています」と彼は言いました.
Levin は、将来的には多数の細胞シグナル伝達イベントを細かく管理する必要がなくなるかもしれないと推測しています。代わりに、細胞が互いに電気的に通信する方法を操作して、さまざまな問題を解決できる可能性があります.
最近の別の実験では、発達中の脳の生体電気信号がどれほど重要であるかが示唆されました。 Herrera-Rincon は、通常は無害な一般的な薬にカエルの胚を浸し、脳を取り除いた。薬を投与された脳のない胚は、曲がった尾や脊髄などの重度の先天性欠損症を発症しました。 Levin によると、これらの結果は、脳が発育中の体を危険な催奇形物質 (先天性欠損症を引き起こす化合物) となる可能性のある薬物から保護していることを示しています。 「催奇形物質について考えるパラダイムは、各化学物質が催奇形物質であるかそうでないかということでした」とレビンは言いました. 「今では、これが脳の働きに依存することがわかっています。」
これらの発見は印象的ですが、多くの疑問が残っていると、バクテリアの生体電気信号を研究しているハーバード大学の生物物理学者である Adam Cohen は述べています。 「正常な状態、つまり脳が無傷であるときに、脳が発達パターンにどのように影響を与えているかはまだ正確にはわかっていません。」これらの答えを得るには、研究者はより的を絞った実験を設計する必要があります。たとえば、脳内の特定のニューロンを沈黙させたり、発達中に特定の神経伝達物質の放出をブロックしたりできます。
レビンの業績は認知されつつありますが、彼が開発において電気に重点を置いていることは、広く受け入れられているとは言えません。エピジェネティクスと生体電気は重要ですが、生物学の他の層も重要です、と Zhao は言いました。 「彼らは協力して、私たちが目にする生物学を生み出しています。」パラダイムを変えるには、さらなる証拠が必要だと彼は付け加えた。 「この生体電気分野で驚くべき驚くべき結果がいくつか見られましたが、基本的なメカニズムはまだ完全には理解されていません。私たちはまだそこにいるとは思いません。」
しかし、Nuccitelli は、多くの生物学者にとって、Levin は何かに取り組んでいると述べています。たとえば、局所組織を通過するイオンの流れを変えるだけで、オタマジャクシの誤った位置にある目の成長を誘導するという Levin の成功は、「パターン形成を制御する生物物理学の力の驚くべきデモンストレーションです」と彼は言いました。科学文献におけるレビンの 300 以上の論文の豊富な引用 (ほぼ 8,000 の記事で 10,000 回以上) も、「彼の研究が違いを生み出していることの大きな指標」です。
時間の経過とレビンの研究を引き継ぐ他の人々の努力は、彼の目的を助けるだろうと、発生生物学者でインディアナ大学 - パデュー大学インディアナポリス校の名誉学部長であるデビッド・ストカムは示唆した. 「私の見解では、彼の考えは最終的に正しいことが示され、発生生物学の枠組みの重要な部分として一般に受け入れられるでしょう。」
「私たちは原理の証明を実証しました」と Herrera-Rincon は、豆のような胚でいっぱいの別のペトリ皿の準備を終えたときに言いました。 「現在、私たちは根底にあるメカニズム、特にその意味を理解することに取り組んでいます。脳固有の情報の情報内容とは何か、そしてそれはどの程度の形態形成的ガイダンスを提供するのか?」彼女はメスを洗い流し、手袋と白衣を脱いだ。 「頭の中に何百万もの実験があります。」
