学習と記憶に関連する新たな神経可塑性メカニズムを発見

ニューロンは重要ですが、このプロセスにおいて唯一の役割を担っているわけではありません。実際、脳が情報を取得し、記憶する能力において重要な役割を果たしているのは、神経細胞の外側に位置するコンドロイチン硫酸と呼ばれる細胞外マトリックス分子の集合体である「軟骨」です。

Cell Reports誌に掲載された研究では、脳の可塑性、つまり外部刺激に対する神経接続の変化に関する新たなメカニズムが説明されています。論文のタイトルは「シナプス周囲マトリックスの焦点クラスターがマウスの活動依存的な可塑性と記憶を促進する」です。

この研究は、ハーバード大学医学部、トレント大学、マクデブルクのドイツ神経変性疾患センター（DZNE）の共同研究による成果です。

「感覚能力と周囲の状況を理解する能力は、脳の活動に依存しています。脳の活動は、外界からの刺激を感知し、処理することを可能にします。脳を通して、私たちは新しい情報を獲得して記憶するだけでなく、すでに学んだ情報を記憶することもできます」と、ユーリ・ボッツィとガブリエーレ・チェリーニは述べています。

この興味深い現象は、脳が外部刺激に応じて神経接続（シナプス）の構造と有効性を継続的に変化させる能力によって可能になります。この能力はシナプス可塑性と呼ばれています。シナプスの変化がどのように起こり、それが学習と記憶にどのように寄与するのかを理解することは、神経科学における主要な課題の一つです。

ユーリ・ボッツィ氏はトレント大学の教授であり、本論文の共同筆頭著者です。ガブリエーレ・チェッリーニ氏が本研究の筆頭著者です。チェッリーニ氏は2017年にサビーナ・ベレッタ氏（マクリーン病院およびハーバード大学医学部ボストン校）の研究室でポスドク研究員として本プロジェクトに着手し、トレント大学のボッツィ氏の研究室でポスドク研究員として勤務しながら、本論文を完成させました。

研究の中心となるのはコンドロイチン硫酸です。コンドロイチン硫酸は関節での役割でよく知られた分子ですが、脳の可塑性にも重要な働きをし、脳の細胞外マトリックスの不可欠な部分として、2001年にアレクサンダー・ディティアテフ博士のグループによって最初に発見されました。

2007年、日本の研究で、脳内に丸い形状で一見ランダムに散在するコンドロイチン硫酸クラスターの存在が報告されました。しかし、この研究は忘れ去られていました。サビーナ・ベレッタ博士のトランスレーショナル神経科学研究室が、この構造を「CS-6クラスター」（正確な分子組成を示すコンドロイチン硫酸-6に由来）と改名し、この構造がグリア細胞と関連していること、そして精神疾患患者の脳では大幅に減少していることを明らかにすることで、この研究は再び科学的な注目を集めました。

そして2017年、ベレッタの研究室に新しく採用されたガブリエーレ・チェリーニは、これらのクラスターの機能を解明する任務を負った。

「まず、これらの構造を詳細に観察し、非常に高解像度で画像化しました。その結果、それらはCS-6で覆われたシナプスの塊であり、明確に認識できる幾何学的形状に組織化されていることがわかりました。そして、新しいタイプのシナプス組織を特定しました」と研究者たちは述べています。

「この時点で、私たちは少し『実験的な創造性』を発揮する必要がありました。行動、分子、高度な形態学的アプローチを組み合わせて使用することで、CS-6クラスターに封入されたこれらの化合物が脳内の電気的活動に応じて変化することに気づきました。」

「最終的に、DZNEマグデブルクのアレクサンダー・ディティアテフ氏との協力と、同氏のグループのハディ・ミルザプルデラワル氏の努力のおかげで、海馬（空間学習を司る脳の領域）におけるCS-6の発現を低下させ、CS-6の存在がシナプス可塑性と空間記憶に必要であることを実証しました」とボッツィ氏とチェリーニ氏は指摘する。

「この研究は、脳機能を新たな視点から考察する道を開くものです。CS-6クラスター内の異なるニューロン上に形成されたすべてのシナプスが、特定の外部刺激に協調して反応し、学習と記憶のプロセスを目的とした共通の機能に関与する能力を持っている可能性があります」と研究者らは指摘しています。

「これらは、多細胞レベルでの情報統合と関連形成のための新たな基盤となるようだ」とディティアテフ氏とベレッタ氏は付け加えた。

この研究は、トランスレーショナル神経科学研究所（サビーナ・ベレッタ、マクリーン病院 - ハーバード大学医学部、ボストン）、神経発達障害研究研究所（ユーリ・ボッツィ、CIMeC - トレント大学脳科学学際センター）、分子神経可塑性研究所（アレクサンダー・ディティアテフ、DZNEマグデブルク）など、複数の研究所の共同研究の成果です。