平成２６年４月３０日
福岛県立医科大学
広岛大学
爱媛大学
行动の切り替えを行う脳の仕组みに関する新発见
研究成果のポイント
- 脳内（线条体）のアセチルコリン神経伝达の働きを止めると、学习に基づく行动の切り替えが促されることを発见しました。
- 统合失调症などの脳神経疾患の病态の改善につながる治疗薬の开発に结び付くものと期待されます。
福岛県立医科大学の小林和人教授?西澤佳代助教と広岛大学?坂田省吾教授?岡田佳奈特任助教、爱媛大学?松下夏樹研究員らの共同研究チームは、脳内における標的の神経細胞を取り除く技術を利用して、脳内（線条体）に存在するアセチルコリンを含む神経細胞の機能を抑制することにより、学習に基づく行動の切り替えが亢進されることを見出しました。さらに、標的遺伝子の役割を抑制する技術を用いて、行動の切り替えを伝達するアセチルコリン受容体のタイプを同定しました。アセチルコリンの作用は、記憶、学習、認知などのさまざまな機能に関わることが知られていましたが、今回、その作用の抑制が行動の切り替えを促すことが初めて発見され、脳神経疾患に対する治療薬の開発に結び付くと考えられます。本研究の成果は、英国科学誌Nature Communications（5月6日号）に掲載されます。
研究の背景
动物は、环境の変化に対して、柔软に行动を切り替える必要があります。动物がある状况に置かれると、やがて多くの选択肢の中から适切な行动を选び出して実行するようになりますが、その状况が変わった际には别の行动にスイッチしなければなりません。このような状况に応じて头を切り替える机能には、前头叶と线条体という脳の领域を结ぶ神経回路が重要だと考えられています。
また、统合失调症などのある种の精神神経疾患では、行动を切り替える机能に重篤な障害のあることも知られています。线条体という领域の中にはさまざまな神経细胞が存在しますが、研究チームはその中のひとつである“アセチルコリン”を含む神経细胞の机能について研究を行いました。アセチルコリン神経细胞は、これまでの研究から、记忆、学习、认知などの多くの脳机能に重要なことが知られていましたが、线条体のアセチルコリン神経细胞が、行动の切り替えにどのような役割を持つのかは、これまで十分に研究が进んでいませんでした。
研究内容と成果
研究チームは、细胞标的法という技术を利用して、遗伝子改変ラットの脳领域（线条体）からアセチルコリン神経细胞のみを取り除いた実験动物を作製しました（図１）。このラットの学习行动を、迷路を用いた场所选択学习の课题によりテストをしました（図２）。この课题では、ひとつの走路から入ると行き止まりに达し、そこからふたつの走路のどちらかを选択します。正しい走路を选択すると、その先端に饵がおいてあり、动物はそこで报酬を得ることができます。この学习を毎日繰り返すと、动物は正しい走路を高い确率で选択するようになります（学习の获得）。その后、饵のある位置を逆の走路に移动させます。动物はこの位置の逆転に対して、徐々に反応し、反対の走路を选ぶと报酬が得られることを学习します（逆転学习）。アセチルコリン细胞を除去したラットは、学习の获得は正常でしたが、逆転学习が正常ラットよりも素早く起こることが见出されました。次に、学习の获得后、走路の报酬を取り除いた状态で、テストを行いました。正常な动物は报酬が得られないことを学习し、かつて饵のあった走路を选択することをやめます（消去学习）。アセチルコリン细胞を除去したラットは、この消去学习においても正常动物と比较して学习が早く起こることがわかりました。この逆転学习や消去学习が亢进したラットの脳内に、アセチルコリン受容体に促进性に働く薬剤を注入すると、行动の切り替えが正常ラットと同レベルになることもわかりました。
次に、この行动の切り替えの亢进に、どのアセチルコリン受容体が関わるかを调べました。线条体の细胞にはアセチルコリンによる神経伝达を媒介する２种类の代表的な受容体が存在することが知られており、ムスカリン性受容体１型と４型と呼ばれています。研究チームは、遗伝子ノックダウン法という遗伝子の働きを抑制する技术を用いて、２种类の受容体の机能をそれぞれ抑制し、上记の迷路を用いた逆転学习について解析しました（図３）。その结果、ムスカリン性受容体４型を抑制した场合、アセチルコリン细胞を除去したラットと同様に、逆転学习が早まるという结果が得られました。一方、ムスカリン性受容体１型を抑制した场合には、逆転学习に特に顕着な変化はありませんでした。
このような研究から、线条体のアセチルコリン神経伝达の机能を抑えた方が行动の切り替えが起こりやすくなることが明らかになりました。すなわち、アセチルコリン细胞は、ムスカリン性受容体４型の作用を通して、行动をスイッチする反応を抑えるように働いていることがわかります（図４）。アセチルコリンは、脳の中のいろいろな领域に含まれており、主に、记忆、学习、认知机能の促进作用に働いていると考えられてきました。しかし、この研究结果のように、脳の领域や学习の课题によっては、アセチルコリンは机能を抑える役割を持つということが明らかになりました。そして、この作用はこれまであまり机能のわかっていなかったムスカリン性受容体４型によって伝わるということも判明しました。これらの结果は、今后、统合失调症など、认知机能の切り替えに重篤な障害を持つことの知られている脳神経疾患の病态の改善につながる治疗薬の开発に结び付くものと期待されます。
本研究は、福岛県立医科大学、広岛大学、爱媛大学などの共同研究による研究成果です。
【図１】线条体アセチルコリン神経细胞の选択的除去
础:细胞标的法の概要：遗伝子改変技术を利用して脳内の特定の神経细胞に、元来その动物の脳内には存在しない标的タンパク质（この场合は、ヒトのインターロイキンー２受容体αサブユニット）を発现させます。その后、この动物の脳内にイムノトキシンと呼ばれる标的タンパク质を认识して细胞の中に取り込まれたあと、その细胞を死灭させる人工タンパク质を注入します。この処理によって、标的タンパク质を持つ细胞が选択的に除去されます。
B: アセチルコリン神経細胞の除去：アセチルコリン神経細胞において標的タンパク質を発現する遺伝子改変ラットを作製し、この動物の脳内（線条体：黄色で示した領域）にイムノトキシンを注入しました。その後、線条体のアセチルコリン細胞を実験的に視覚化すると、正常群にはアセチルコリン細胞(写真の中で黒くみえます)が存在しますが、除去群ではこの細胞が取り除かれていることがわかりました。
【図２】アセチルコリン神経细胞を除去すると行动の切り替えが促进する
A: 行動切り替えテスト（逆転学習）：場所選択学習の獲得期において、動物は図の右か左の走路のいずれから、迷路に入ります。行き止まりまで行くと、２つの走路のうちのどちらかを選択します。図の場合、上側の方角を選択すると、走路の先端に置かれている報酬を得ることができます。毎日、４回この試行を繰り返し、正答率を測定します。８日間試行を続けた後、報酬の位置を逆転します。動物は、獲得期に学習した走路を選ぶため、正答率が著しく低下しますが、試行を繰り返すうちに、行動を切り替えることを学習し、再び正答率は向上します。
B: 細胞除去ラットにおける逆転学習の促進：学習の獲得期において、アセチルコリン細胞除去群（赤色）では正常群（青色）と同様に、試行が進むにつれて正答率が増加しました。一方、報酬の位置を逆転すると、細胞除去群では、正常群よりも早く逆転学習の正答率が増加するようになりました（矢印）。アセチルコリン細胞の欠落によって、行動の切り替えが早くなり、逆転学習の成績を向上させることが示されました。
【図３】ムスカリン性受容体４型の阻害は行动の切り替えを亢进する
A:遺伝子ノックダウン法の概要：標的の遺伝子の情報が写し取られた伝令RNA(メッセンジャーRNA, mRNA)の一部と相補的な配列を持つ短いヘアピン構造のRNAを細胞内で発現させます。ヘアピンRNAは切断され二本鎖RNAとなり、一方の鎖が標的の伝令RNAと対合することが引き金になって標的mRNAが分解されます。このような作用によって、標的mRNAによってコードされていた遺伝子の機能が抑制されます。
B: ムスカリン性４型受容体の抑制による逆転学習の亢進：ムスカリン性４型あるいは１型の受容体の遺伝子をノックダウンし、図２Ａに示した場所選択学習のテストを用いてラットの行動切替えを評価します。４型受容体を抑制した場合、正常群に比較して顕著な逆転学習の成績の亢進が認められましたが（矢印）、１型受容体を抑制した場合は、正常群とほぼ同様の成績でした。したがって、アセチルコリン神経細胞による行動切り替えの抑制は、４型受容体によって媒介されると考えられます。
【図４】本研究の成果（まとめ）
一连の研究の成果として、线条体に存在するアセチルコリン神経细胞は、ムスカリン性受容体４型の作用を通して、行动をスイッチする机能を抑えているということが明らかになりました。
社会的意义と今后の展开
１．行动の切り替えを调节する脳内の仕组みの理解へ
状况にあわせて行动を选択し、适切に切り替える脳の仕组みにとって、前头叶と线条体を连结する神経回路が重要なことは知られていますが、细胞や神経伝达レベルの理解は进んでいませんでした。今回の研究によって、线条体のアセチルコリン伝达は行动のスイッチを抑えるように働き、この细胞がない场合にはむしろ切り替えが素早く起こることが示されました。また、このアセチルコリン伝达の作用は、ムスカリン性受容体４型が主に媒介していることが明らかとなりました。状况に応じて头を切り替える脳の仕组みとして、特定の细胞や神経伝达が抑制性の役割を持つことがはじめて明らかにされました。
２．统合失调症など精神神経疾患に対する治疗薬の开発に期待
统合失调症などのいくつかの精神神経疾患では、ルールの変更等、认知机能の切り替えに重篤な障害を持つものが知られています。今回の结果によって、线条体アセチルコリン伝达の抑制、特に、ムスカリン性４型受容体の作用の抑制は、行动切り替えを向上させることが示されました。今后、线条体のアセチルコリン伝达を调整する薬剤の探索は、认知机能の切り替えに重篤な障害を持つことの知られている脳疾患の病态の改善につながる治疗薬の开発に结び付くものと期待されます。
掲载论文
题名：Enhanced flexibility of place discrimination learning by targeting striatal cholinergic interneurons.
着者：Kana Okada, Kayo Nishizawa, Ryoji Fukabori, Nobuyuki Kai, Akira Shiota, Masatsugu Ueda, Yuji Tsutsui, Shogo Sakata,Natsuki Matsushita, Kazuto Kobayashi
掲载誌：英国科学誌 Nature Communications 5月6日号
问い合わせ先
（研究に関すること）
福岛県立医科大学 医学部附属生体情報伝達研究所 生体機能研究部門
教授 小林 和人（コバヤシ カズト）
助教 西澤 佳代（ニシザワ カヨ）
Tel：024-547-1667 Fax：024-548-3936
Email：kazuto＊fmu.ac.jp （小林教授）
広岛大学 大学院総合科学研究科 行動科学講座
特任助教 岡田 佳奈（オカダ カナ）
Tel：082-424-6544 Fax：082-424-0759
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爱媛大学 医学部附属病院 先端医療創生センター
研究員 松下 夏樹（マツシタ ナツキ）
Tel：089-960-5902 Fax：020-4669-7331
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（取材?报道に関すること）
公立大学法人福岛県立医科大学研究推進課
担当者 高野 武彦（タカノ タケヒコ）
Tel：024-547-1022 Fax：024-547-1991
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国立大学法人広岛大学 学術?社会産学連携室 広報グループ
担当者 久保田 真理子 (クボタ マリコ)
Tel：082-424-6781 Fax：082-424-6040
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国立大学法人爱媛大学医学部総務課企画?広報チーム
担当者 今岡 拓也（イマオカ タクヤ）
Tel：089-960-5943 Fax：089-960-5131
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（＊は半角の＠に置き换えて送信して下さい。）
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