コーヒーマグに手を伸ばすたびに、神経科学の謎が形作られます。自発的に腕を伸ばす直前に、脳の運動領域にある何千ものニューロンが電気的活動のパターンで爆発し、脊髄に伝わり、次に手を動かす筋肉に伝わります。しかし、この大規模な同期活動の直前には、脳の運動領域は比較的静かです。コーヒーに手を伸ばすなどの自発的な動きの場合、ニューロンに正確にいつ行動するかを伝える「ゴー」信号は、直前または直後の瞬間ではなく、まだ見つかっていません.
eLife の最近の論文では、 ハーバード大学医学部のジョン・アサドが率いる神経科学者のグループが、ついに信号の重要な部分を明らかにしました。それは、ドーパミンとして知られる脳内化学物質の形で現れます。ドーパミンは、皮質の奥深くにある領域でゆっくりと上昇し、マウスが動き始める瞬間を厳密に予測しました — 数秒後です.
ドーパミンは、脳の神経伝達物質の 1 つとして一般的に知られており、ニューロン間を行き来する速効性の化学伝達物質です。しかし、新しい研究では、ドーパミンが神経調節物質として働いています。これは、ニューロンをわずかに変更して、ニューロンが他のニューロンと電気的に通信する可能性を高めたり低くしたりするなど、長期的な効果を引き起こす化学メッセンジャーの用語です。この神経調節調整メカニズムは、ニューロンの大集団の活動を調整するのに最適です。ドーパミンは、運動系がいつ動きをするかを正確に決定するのを助ける可能性が高いためです.
新しい論文は、神経調節物質が脳内で果たす重要かつ多様な役割についての知識を広げる最新の結果の 1 つです。最近の技術の進歩により、神経科学者は、脳全体を横断するネットワークで機能している神経調節物質を観察できるようになりました。新しい発見は、これらのモジュレーターが脳内を漂っているという長年の見方を覆し、絶えず変化する環境の中でこれらの分子がどのようにして脳の内部状態を柔軟に変化させているかを正確に明らかにしています。
調節運動
いつ動くべきかの突然の決定に何が寄与しているのかを特定するために、アサドと彼の同僚はマウスを訓練して、舐める動きが彼らにジュースの報酬をもたらすことを認識するようにしました。対になった音色と閃光。したがって、マウスには、いつでも移動を決定できる柔軟な時間枠がありました。その結果、彼らの動きのタイミングは試行ごとに大きく異なりました.
しかし、運動が発生するたびに、ニューロンの周囲の液体で満たされた空間でドーパミンのレベルが上昇し、特定の閾値に達したように見える直後に運動が続くことを研究者は発見しました。ドーパミンが非常に急速に上昇したとき、その動きは反応期間の早い段階で起こりました。ドーパミンがゆっくりと上昇すると、運動は遅くなります.
ドーパミンの瞬間的な影響に「圧倒されました」とアサドは言いました。 「今でも驚くべきことだと思います。」
しかし、この運動は、ドーパミンレベルが臨界閾値を超えるたびに起こるわけではありませんでした.これは、神経調節物質に期待されるものと矛盾する.ハーバード大学の学生で、論文の筆頭著者。神経調節化学物質は、ニューロンが発火する可能性を多かれ少なかれ変える変化に影響を与えますが、毎回 1 対 1 で対応するわけではありません。ドーパミンは、この場合、いつ動くべきかをマウスに正確に伝える信号の主要な成分でしたが、動きの「ゴー」信号で役割を果たす他の神経調節物質と神経活動については、さらに調査する必要があります.
ボストン大学の神経科学者であるマーク・ハウ氏は、この論文を「重要な貢献」と称賛し、「いつ動くべきかを左右するドーパミン信号にゆっくりと変化する変化があるという考えは斬新です。 …私はそれを期待していなかったでしょう。」
過去 10 年間にハウ氏らが行った以前の研究では、ドーパミン レベルがアクションが発生する数十ミリ秒または数百ミリ秒前に急速に上昇することが示されました。そのため、神経科学者は、ドーパミンが運動を開始すべきかどうかのシグナル伝達に関与していることを知っていました.新しい論文は、ドーパミンレベルも何秒にもわたってゆっくりと変化し、動くかどうかだけでなく、正確にいつそれを行うかについての決定に直接影響することを示しています.これは、パーキンソン病 (ドーパミン レベルが低下する運動障害) の患者が、適切なタイミングで運動を開始するのに苦労する理由を説明するのに役立つ可能性があります。ゆっくりと変化するドーパミン レベルが重大なしきい値に達することはめったにありません。
運動の神経調節物質としてのドーパミンの役割は、比較的新しい発見です。神経科学者は、報酬が差し迫っている可能性があるという脳へのシグナル伝達においてドーパミンが果たす役割を長い間研究してきました。実際、Assad のチームは、彼らが見たゆっくりと進化するドーパミンのランプは、報酬がすぐに来るかどうかを判断するために脳が使用する同じランプ信号である可能性があると考えています.脳は、報酬信号を効果的に利用して、いつ動くべきかを正確に決定するように進化した可能性があると、科学者は示唆しています.
ドーパミンのような神経調節物質がいつ動くべきかの決定に関与する理由については、神経調節信号をゆっくりと変化させることで、脳が環境に適応できるようになる可能性があります。このような柔軟性は、常に正確に同時に移動する信号では実現できません。 「この動物は、世界の本当の状態が何であるかについて、常にある程度不確かです」と Hamilos は言いました。 「毎回同じ方法で物事を行うのは望ましくありません。それは不利になる可能性があります。」
ゆっくりと形成する行動
神経調節物質の機能のいくつかは何十年も前から知られていましたが、神経科学者は、神経調節物質がどれだけの能力を発揮し、どのようにそれを行うのかを探求する研究はまだ始まったばかりです.ドーパミンなどのすべての神経伝達物質は、特定の条件下で神経調節物質として作用することが広く認められています。特定の状況で分子が果たす役割は、その機能と活性によって定義される傾向があります。一般に、神経伝達物質は、あるニューロンから別のニューロンに接続するシナプス空間に放出されます。数ミリ秒以内に、イオンチャネル型受容体タンパク質のゲートが開き、イオンやその他の荷電分子がニューロンに流れ込み、内部電圧が変化します。電圧がしきい値を超えると、ニューロンは他のニューロンに電気信号を発します。
対照的に、神経調節物質はしばしば大脳皮質全体の部位で一斉に放出され、脳液を介して浸透し、より多くのニューロンに到達します.メタボトロピック受容体に結合し、ニューロンが電気信号を発する可能性を多かれ少なかれ高めるために、数秒から数分にわたって作用します。ニューロモジュレーターは、ニューロン間の結合の強さを変化させたり、他のニューロンと比較して特定のニューロンの「ボリューム」を上げたり、どの遺伝子がオンまたはオフになるかに影響を与えることさえできます.これらの変化は個々のニューロンに起こりますが、ネットワーク全体が数千または数百万のニューロンの受容体に到達する神経調節分子で覆われている場合、分子は睡眠覚醒サイクルから注意や学習まで、あらゆる神経機能に影響を与える可能性があります.
先駆的な研究で広く知られているブランダイス大学の神経科学者である Eve Marder は、脳を洗い流すことによって、神経調節物質が「脳の広い領域の興奮性を多かれ少なかれ同じ方法で、または同時に制御することを可能にします」と述べています。 1980年代後半のニューロモジュレーター。 「あなたは基本的に、多くのネットワークの状態を同時に変化させる局所的な洗脳、またはより拡張された洗脳のいずれかを作成しています。」
ニューロモジュレーターの強力な効果は、これらの化学物質の異常なレベルが多くの人間の病気や気分障害につながる可能性があることを意味します.しかし、最適なレベルの範囲内では、神経調節物質はまるで秘密の操り人形師のように脳の糸を操り、回路を際限なく形成し、活動パターンを有機体にとって最も適応性の高いものに刻一刻とシフトします。
シドニー大学の神経生物学者である Mac Shine は、次のように述べています。 「あなたがしているのは、非常に拡散した信号を送信しているためです…しかし、効果は正確です。」
脳の状態の変化
過去数年間で、技術の爆発的な進歩により、神経科学者は小さな回路での神経調節物質の研究を超えて、脳全体をリアルタイムで調べる研究への道が開かれました。それらは、代謝型ニューロン受容体を変更する新世代のセンサーによって可能になりました。特定の神経調節物質が受容体に到達すると発光します。
北京の北京大学の Yulong Li の研究室は、2018 年の神経調節物質アセチルコリンの最初のセンサーから始めて、これらのセンサーの多くを開発しました。これらの分子を巧みに検出するように進化した、と Li は言いました。
イェール大学の神経科学者であるジェシカ・カーディンは、これらのセンサーを使用した最近の研究を「氷山の一角であり、これらすべてのツールを使用する人々の巨大な波が来るだろう」と呼んでいます。
2020 年にプレプリント サーバー bioarxiv.org に投稿された論文で、Cardin と彼女の同僚は、マウスの皮質全体でアセチルコリンを測定するために Li のセンサーを使用した最初の人になりました。神経調節物質として、アセチルコリンは注意を調節し、覚醒に関連する脳の状態を変化させます。アセチルコリンは、ニューロンを回路内の活動からより独立させることにより、常に覚醒を高めると広く信じられていました. Cardin のチームは、これが数百から数千のニューロンしかない小さな回路に当てはまることを発見しました。しかし、数十億のニューロンを持つネットワークでは、逆のことが起こります。アセチルコリンのレベルが高くなると、活動パターンがより同期化されます。しかし、同期の量は脳の領域と覚醒レベルにも依存し、アセチルコリンがあらゆる場所で均一な効果を発揮するわけではないことを示しています.
Current Biology に掲載された別の研究 昨年 11 月も同様に、神経調節物質であるノルエピネフリンに関する長年の考えが覆されました。ノルエピネフリンは、突然の危険な状況を警告する監視システムの一部です。しかし、1970 年代以降、睡眠の特定の段階ではノルエピネフリンはこのシステムに関与していないと考えられてきました。新しい研究で、スイスのローザンヌ大学の Anita Lüthi と彼女の同僚は、Li の新しいノルエピネフリン センサーやその他の技術を使用して、ノルエピネフリンが睡眠のすべての段階でシャットダウンされず、実際に睡眠の役割を果たしていることを初めて示しました。必要に応じて動物を目覚めさせます。
「私たちは非常に驚きました」と Lüth 氏は言います。 「[私たちの結果] は、睡眠を異なる状態の領域にもたらします。覚醒状態で起こっていることをシャットダウンするだけではありません。」
ニューロモジュレーターの調節
Assad、Cardin、およびLüthiの研究室による新しい研究では、一度に1つの神経調節物質しか研究されていませんが、科学者たちは、神経調節物質は常に連携して機能することを強調しました.現在、多くの研究室は、脳への影響をより完全に把握するために、複数の神経調節物質を同時に研究することを目指しています.
研究者は、いくつかの神経調節物質が互いに調節しているという証拠も調べています.たとえば、マリファナの活性成分と同じ受容体に結合する神経調節物質であるエンドカンナビノイドは、個々のニューロンから放出される神経調節物質の量を最適な範囲内に保つのに役立つようです.
そのためエンドカンナビノイドは「私たちの生存に不可欠」であると、メリーランド大学医学部の神経科学者で、ドーパミンへの影響を 20 年近く研究しているジョセフ チアは述べています。 「私たちの脳には、ほとんどのシナプスを微調整しているこれらの小さな分子があります。」
マーダーにとって、神経調節物質を単独で研究することは、「そこに光があるという理由だけで、電球の下で鍵を探すようなものです」と彼女は言いました. 「モジュレーションに関して、直線的または単純なものはありません。」
