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革命的な科学の手法を生み出す男

Nature ダイジェスト Vol. 10 No. 8 | doi : 10.1038/ndigest.2013.130809

原文:Nature (2013-05-30) | doi: 10.1038/497550a | Method man

Kerri Smith

脳透明化技術「CLARITY」の開発を率いたKarl Deisserothは、脳科学の世界に大きな足跡を1つ、また1つと刻んでいる。

Credit: RAMIN RAHIMIAN/GETTY FOR NATURE

2004年、自身が主宰する研究室をスタンフォード大学(米国カリフォルニア州)で初めて持つことになったとき、神経科学者のKarl Deisserothは、教授室の前の住人がノーベル賞受賞者の物理学者Steven Chuであることに気が付いた。「部屋のドアにはまだ、彼の名前が掲げてあったんです」とDeisserothは振り返る。その「遺産」はうれしい効果をもたらしてくれた。Deisserothは、Chuを探しに訪れた化学科の学生Feng Zhangをスカウトし、研究室のメンバーとして獲得したのだ。「彼は私のことを知らなかったと思いますが、大いに興味を持ってくれました」。

しかし今では、Deisseroth自身が科学界の有名人だ。彼は、動物の行動パターンを生み出す脳内の複雑な神経回路の仕組みを知るのに有用な、2つの革命的な研究手法を開発した。研究手法の開発に取り組んだ理由は、精神疾患が起こる仕組みを解明したいという気持ちからと、そのために使える手段が乏しかったためだと彼は話す。「脳科学領域の根本的な進展には、自らの手で新しいツールを開発する必要があったのです」。

Deisserothの落ち着いた口調とゆったり構えた様子は、彼の研究室で生み出された手法が神経科学の世界で巻き起こしている熱狂状態と、好対照だ。最初の大ヒットは「光遺伝学(Optogenetics)」だった1。この手法は、ニューロンに藻類由来の光感受性タンパク質を発現させることで、光照射によってニューロンを選択的に興奮もしくは抑制させることができる。Deisserothが、Zhangや当時親しくしていた研究者Edward Boydenとともにこの手法を編み出したのは、研究室を始動してすぐのことだった。論文が発表されて以降、この手法は、各種ニューロンの機能研究から、うつ病や自閉症で変化している神経回路の研究まで、さまざまな用途で世界中の科学者に利用されている。この手法を使っている研究グループの数は、すでにDeisserothも把握できないほど多い。「数えきれないほどたくさんの研究室にクローンを送りましたから」と彼は言う。

彼の研究室は2つ目の革命的手法「CLARITY」2を開発し、論文を2013年4月10日にNature電子版に発表したところだ。殺到する問い合わせへの準備も整った。この手法は、化学的な処理で脳全体を透明化するもので、これによって、ニューロンのネットワークなど、脳の詳細な構造を三次元的に調べることが可能になる。脳の構造と機能を結びつけるのに役立つはずだ。「CLARITYは、脳内の経路とそれらの位置の全体像をつかむのに、欠かせない手段になると思います」と神経解剖学者Richard Tsienは話す。Tsienは、Deisserothがスタンフォード大学のPh.D.取得課程の学生だったときの指導教官だ。

Deisserothはリスクを恐れず、またチームの研究員にもそれを奨励している。それだけでなく、さまざまな専門知識を持つ人々と協力することも多く、多様な分野に常にアンテナを張っている。Deisserothの成功の要因はこうした「何にでも興味を持つこと」にあると、アレン脳科学研究所(米国ワシントン州シアトル)の科学部門最高責任者Christof Kochは言う。だがDeisserothは、それに加えて研究手法の開発にも特に強い関心を持っている。その理由について、彼は、精神科の医師という仕事からの刺激が大きいと話す。彼は、自分の研究室が生み出す最新の手法に関して、興奮はしているが大げさに宣伝することはない。広い肩をすくめて「私はあまり感情を表に出す方ではないんです」と話してくれた。

脳を制御する

スタンフォード大学で指導に当たったTsien(現在はニューヨーク大学ランゴン医療センターに所属)は、初めてDeisserothに会ったときの彼の固い決意が印象に残っているという。Tsienは振り返る。「ちょっと変わった出会い方でした。彼は私に面会しに来て、恥ずかしそうに、『あなたの下で研究をしたくてスタンフォード大学に来ました』と打ち明けました」。1993年当時、Tsienの研究室は「すし詰め状態」で新人を受け入れられる状態ではなかった。しかしDeisserothの主張は粘り強く、また説得力があったのだ。念願叶った彼は、Ph.D.と医学博士号を取得する共同プログラムの一環として、ニューロンのカルシウムチャネルを研究するプロジェクトを立ち上げた。そして2000年には、彼は複数の職を得ることに成功した。1つは、スタンフォード大学の神経科学者Robert Malenkaの研究室での博士研究員のポストで、もう1つはスタンフォード大学医学系大学院の精神科研修医のポストだ。後者に応募したのは、漠然とではあるが、神経外科学を勉強しようと考えていたからである。

「精神科の勤務をして、すべてが変わりました」とDeisserothは回想する。「目の前にいる患者は見たところ完全で、どこかが傷ついている様子は特になく、何も問題ないように見えますが、彼らの脳は、完全に別の現実を作り上げているのです。それと同時に私は、そうした病状の苦しさがいかに大きいものかを知りました」。

Deisserothは、うつ病や不安神経症は、試験管内の細胞で調べる程度では解明できないと考えていた。脳は全体として働いて初めて、ヒトの行動を特徴付ける高度な機能を発揮できるわけで、脳の機能障害もまた脳全体の問題と捉えるべきなのだ。しかし当時、ヒトやモデル動物で脳全体を調べる手法といえば、ほとんどが活動中の脳を単に観察する程度であった。

そこでDeisserothは、脳を傷つけずに系全体を調べたり制御したりする方法を考えることにした。「大勢の人とたくさんの議論をしました」。そして、この研修医時代に、彼と同じ志を持ったPh.D.課程の学生Boydenと出会った。2人は、主力のプロジェクトとは別に、個々のニューロンを操作する方法について相談を始めた。「非常に冒険的な共同研究でした。すべてが、未知の世界を探検するようなものでしたから」とBoydenは振り返る。

そこで出た1つのアイデアが、光を使って、ニューロンの活動を制御するというものだった。BoydenとDeisserothは、オプシンという「光感受性」のチャネルタンパク質のことは知っていた。藻類がエネルギー生成などの機能に使っている、光で活性化されるタンパク質だ。当時、Tsienの兄であるカリフォルニア大学サンディエゴ校(米国)のRoger Tsienのチームを含め、いくつかの研究グループが、このオプシンをニューロンの細胞膜へ組み込もうと試みていた。Deisserothにとって、プロジェクトを始めるには、資金と大学院生が必要だった。2004年に自分の研究室を確保し、ようやくプロジェクトを実行に移せるようになったわけだ。

2004年7月には、Deisserothは何とかニューロンの細胞膜にオプシンを発現させることができた。そして、DeisserothとZhangとBoydenは、Malenkaから譲ってもらった細胞とRichard Tsienから借りた記録装置を使い、この手法がうまくいくかどうかを見極めようと努力した。「最初の試行でほぼうまくいったのです。“セレンディピティーの波”に乗った心地がしました」とBoydenは振り返る。

翌2005年、Deisserothはそれまでに何度も申請を却下されていた米国立衛生研究所(NIH、メリーランド州ベセスダ)から、研究をさらに進めるための資金提供をようやく受けることができた。技術的なことを研究対象とするプロジェクトは、科学的仮説の検証を研究対象とするものに比べて支援を受けづらいのが現状だと、米国立精神健康研究所(メリーランド州ベセスダ)の所長Thomas Inselは話す。同研究所は、Deisserothの光遺伝学研究に対して連邦政府の助成金を最初に出した機関である。「この分野の研究者たちは、Deisserothがやろうとしていたことを、すんなりとは理解できなかったのです」とInselは説明する。

しかし2005年になって、神経科学者たちは光遺伝学に大きな可能性があることに気が付いた。Deisserothらが発表した最初の重要な論文で、光遺伝学の手法が生体外の条件下でうまく使えることが示されたのだ1。この方法を使えば、特定の種類のニューロンを刺激して、それがニューロン、あるいは動物個体全体のふるまいに、どのような影響を及ぼすかを見ることができる。発表後、研究室にはこの手法に関する問い合わせが次々と寄せられた。

それ以来、光遺伝学は、神経幹細胞の発生・分化の研究3からマウスで恐怖の記憶を呼び起こす研究4まで、さまざまなテーマに使われている(Nature 2010年5月6日号26〜28ページも参照)。Deisserothらは精神障害に注目し、齧歯類モデルを使って、不安神経症を生じさせる脳領域のネットワークを調べた。そして、呼吸数の上昇や、パニックの感情や不快感といった多様な症状が、たった1個のハブ(ネットワークの集中点)によって制御されていることを明らかにした5。また彼らはマウスで、ドーパミンを神経伝達物質とするニューロンの活動のオン・オフを切り替えることで、それらのニューロンがうつの症状にどう関与するかを示した6。さらには光遺伝学を使って、コカイン依存症になったラットのコカイン探求行動の抑制にも成功した7。Deisserothは、この研究成果はより依存性の低い抗不安薬の開発、つまり、報酬にかかわる回路には作用しないで、不安にかかわる神経回路にだけ作用を及ぼす薬の設計に役立つだろうと話す。

2006年になって、Boydenはマサチューセッツ工科大学(米国ケンブリッジ)に自身の研究室を立ち上げた。彼とDeisserothの関係が悪化したらしいという噂がまことしやかに流れた。2人とも事の詳細を話したがらなかったが、2007年には、両者の研究チームがそれぞれ独自に、ハロロドプシンに関する論文を発表した8,9。ハロロドプシンは、2人がそれまで一緒に研究していた「オフ・スイッチ」型オプシン(光照射でニューロンの活動を抑制するオプシン)である。「我々は、Natureに論文を送るまで、Ed(Boyden)が同じことを研究していたとは知りませんでした」とZhangは話す。それに対しBoydenは、「そうでしょうか。競争相手のいる状況であれば、人は一番になろうとするものですよね」と、含みのある言い方をしている。

この経験からDeisserothは何かを学んだようだ。彼は、チームのメンバーや研修生に対して研究への貢献度を明確にしようと気を配るようになり、CLARITYに関する論文では特にそれがはっきりと見える。「Karl(Deisseroth)は、アイデアを出したのは誰かという点に非常に神経を使っています」と、CLARITYの論文2の筆頭著者であるKwanghun Chungは話す。「シースルー」の脳を作り出すことはDeisserothの夢だったが、その化学的なノウハウはChungのアイデアだった。そしてこの論文には、「2人はCLARITYの共同発見者(co-discovery)である」と明記されている。

脳を透明にする

微小なスケールで脳構造を調べる標準的な手法は、まず脳標品から薄い切片を切り出し、顕微鏡下で分析し、それらの画像を積み重ねて元の構造を復元する。しかし、これには時間も労力もかかり、そのうえ不正確なことも多い。Deisserothは、こうしたプロセスを回避するために脳を化学的に処理して透明化する方法を探していた。問題は、顕微鏡下で視界をさえぎる脳細胞の一部の成分(特に脂質)だった。そこで考え出されたのが、それらの成分を取り除き、なおかつニューロンの構造は保存するというアイデアだ。これは光遺伝学の手法とは全く異なる取り組みとなるので、Deisserothは化学工学出身のChungをスカウトした。これはDeisserothのリスクを恐れない気持ちの現れだった。「周囲の人々には、いったい何をやろうとしているのか、不思議に思われたと思います。どんな計画に基づいてこの人物を雇うのか、うちの研究室がどういった方向に進もうとしているのか、多くの人が首をひねっていたようです。それまでの方向性と全く違いましたからね」と彼は話す。

Deisserothはまず、ニューロンを何か適切な材料で満たして固定して(詰め物を入れて動かなくするような仕組み)、それから周囲の組織を取り去ろうと考えた。ここで、ニューロン内部から安定的な構造を作るのは非常に難しいが、ニューロンの周りにそうした構造を作るのは容易であることがわかった。

研究チームは、ケラチンやセルロース様構造などの足場材料をいくつか試し、結局、ハイドロゲルを使うことに決めた。このゲルの主成分は水で、生物学研究で一般的に使われているものだ。ハイドロゲルの足場を試した結果、脳の組織要素であるニューロンを元の位置に固定でき、しかもそこには、タンパク質や神経化学物質だけでなくDNAやRNAも含まれることがわかった(「光で脳にタッチ」参照)。こうして構造を固定し、SDSという界面活性剤で脂質膜を洗い落とすと、残った組織が光学的に透明に見えるようになる(Nature 2013年4月11日号151ページ、および Nature ダイジェスト 2013年7月号『脳を透明化する革新的技術!』参照)。

Credit: LEFT: V. GRADINARU/J. CARNETT/M. MOGRI/K. DEISSEROTH/STANFORD UNIV.; RIGHT: K. CHUNG/K. DEISSEROTH/STANFORD UNIV.

論文発表から1週間もしないうちに、Deisserothは数十件もの問い合わせを受けた。「とにかく忙しくて、うれしい悲鳴を上げています」と彼は話す。研究室で受信した問い合わせメールは「殺到分(outpouring)」としてまとめている。

CLARITYは光遺伝学と同じように強い衝撃をもたらしたとInselは話す。「研究歴の浅い時期に重要な成果を挙げた場合、人はその名誉の上に胡座をかいてしまいがちです。でもKarl(Deisseroth)は違いました。次の大ヒットをめざして、すぐに仕事を始めたのです」。

すでに、CLARITYを自分たちの研究プロジェクトに合うよう調整中の研究者までいる。ワシントン大学(米国ミズーリ州セントルイス)の神経科学者David Van Essenは、脳の白質でCLARITYを試したいと考えている。白質では、ニューロンの軸索(ニューロンから伸びる、神経の電気信号を伝える突起)が密集している。CLARITYは、脳の各領域を結ぶ結合パターンを調べようという彼らの目的に貢献してくれるはずだ。

さらに、CLARITYを光遺伝学などの手法と一緒に使ったり、行動研究の後の脳分析に使ったりすれば、脳内ネットワークの働き方を探るのに大いに役立つだろうと、ブランダイス大学(米国マサチューセッツ州ウォルサム)の神経科学者Eve Marderは期待する。しかし、こうした技術開発があっても、なお、大規模なネットワークを詳しく分析するのは難しいという。Marderは通常、30個ほどのニューロンからなる単純な回路で研究しているが、それでも、回路のパターンは指数関数的に増えて膨大な数になってしまうと話す。「個人的な要望ですが、脳内で働くさらに大きい回路の研究に踏み込もうとするのであれば、まずはその前に、これまでの研究で得られている教訓と、過去に犯してきた過ちを勉強して欲しいです」と彼は忠告する。

CLARITYはすでに、病気の研究にも用いられている。Deisserothのチームは、この手法について報告した論文中2で、自閉症スペクトラム障害の7歳の少年から採取した脳組織を分析しているのだ。その結果、少年の脳の皮質にあるニューロンは、通常の脳で見られるような分枝状ではなく、梯子のようなパターンで互いに結合していることがわかった。こうしたニューロン接続の違いは、自閉症様症状を示す動物モデルですでに得られていたが、そうした異常パターンをヒトの脳標本で探すことが、CLARITYによって可能になったのだ。

リスクと見返り

Deisserothの教授執務室と研究室の大部分は地下にあり、2004年に引っ越してきてからそれは変わらない。しかし研究チームは現在35人の大所帯となり、地下階以外にも研究室を確保している。そうした研究室には小道具類が散らばっており、まさに科学や機械が大好きなティーンエイジャーの部屋そのものだ。地下には自然光が入らないが、Deisserothは気に入っている。彼の研究には高精度の顕微鏡が欠かせないが、これを使うのに振動を最小限に抑える必要があり、その点ではビルの最下階は最適だからだ。

彼の現在のチームには、計算論的神経科学、医学、化学、工学といった分野の研究者たちがそろっている。また昨年、NIHから「Transformative Research Award」を授与され、2250万ドル(約22億5000万円)の助成金を受けたことで、チームの前途も洋々である。「“ヘッジド・ポートフォリオ(リスク回避のための分散投資)”に倣って、研究者全員が、リスク度が高いプロジェクトと低いプロジェクトの両方にかかわるようにしています」と彼は話す。

最新の高リスク・プロジェクトの1つは、「ライトフィールド顕微鏡」を用いるものだ。この顕微鏡は、さまざまな焦点距離で複数の画像を同時に記録して脳を画像化する。そのため、撮影後に焦点を自在に変えて、画像を見ることができる。研究室の別の場所では、Chungと共同研究者のViviana Gradinaruが、ニューロン内部にハイドロゲル構造を作ろうと模索中だ。彼らは特定種類のニューロンのネットワークを保存したいと考えている。例えば、ある1つの種類のニューロンすべて、あるいは、ある1つの遺伝子を発現するニューロンすべてを、元の位置のまま保存するのである。その一方で、研究チームは光遺伝学の改良も続けており、新しいオプシン類を開発したり、光の照射方法の完成度を高めたりもしている。

Deisserothは、「光遺伝学やCLARITYの技術を習得したい」と訪れる研究者全員に応じるために、研究室に新たなスペースを増設した。2010〜2012年の間に来訪した研究者は200人以上に上る。そこで手法を学んだVan Essenは言う。「Deisserothの研究員たちは、来訪した研究者に技術を覚えてもらい、各自の研究室でもそれが確実に実施できるよう、まるで召使いのように奉仕してくれました。彼らには、手法の重要部分を隠してしまおうなどという気持ちは、微塵も見えません」。実際、これらの手法は誰でも自由に利用できるのだ。スタンフォード大学は、この手法の側面的な内容に関していくつか特許を申請したが、Deisserothによれば、それは、この技術の自由な利用を確保するためだという。現に彼は、それらの特許からいっさい金銭を得ていない。

Deisserothは今、研究のヒントを与えてくれる患者の診察よりも、研究そのものにもっと多くの時間をさきたいと考えており、葛藤が続いている。彼は現在も毎週、精神科で診療を行っているが、こうした診療と、過密日程の出張スケジュールや部下の指導とのバランスを取るのがたいへんなのだ。彼は今も、薬では治せない病気の人々に、いずれは恩恵をもたらしたいという気持ちを持ち続けている。「今では、さまざまな精神科の症状を持つ患者を助けることができます。でも、助けられない患者がなおいるのです。その事実を頭の中に置いておくことで、後ろめたさを感じずに研究に時間をさくことができています」と彼は話す。

患者を助けたいという彼の願望を裏で支えているのは、素朴で尽きることのない好奇心だ。「科学者なら誰でも、そうした好奇心を持っていると思います。大事なのは、自然界に対する驚嘆の気持ちと好奇心です。どんな仕組みなのか、という問いだけでなく、どうすればそうなるのか、と問いかけることが大事です」とDeisserothは語った。

(翻訳:船田晶子)

Kerri Smith は、Nature ロンドン編集部のシニア・オーディオ編集者。

参考文献

  1. Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G. & Deisseroth, K. Nature Neurosci. 8, 1263–1268 (2005).
  2. Chung, K. et al. Nature 497, 332–337 (2013).
  3. Stroh, A. et al. Stem Cells 29, 78–88 (2011).
  4. Liu, X. et al. Nature 484, 381–385 (2012).
  5. Kim, S.-Y. et al. Nature 496, 219–223 (2013).
  6. Chaudhury, D. et al. Nature 493, 532–536 (2013).
  7. Stefanik, M. T. et al. Addiction Biology 18, 50–53 (2013).
  8. Han, X. & Boyden, E. S. PLoS ONE 2, e299 (2007).
  9. Zhang, F. et al. Nature 446, 633–639 (2007).

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Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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