発達中の脳はどのようにして自らを組み立て、組織化するのでしょうか?

Jul 30, 2023

非常に早い段階で明確な活動パターンが特徴的な脳領域、有袋類の研究が示す

タマラ・バンダリ著•2023年8月29日

セントルイスのワシントン大学医学部神経科学部長のリンダ・リチャーズ博士（顕微鏡で）は、最近、脳の発達における最も初期の出来事のいくつかを説明する研究を発表した。 この発見は、てんかん、自閉症、知的障害などの脳疾患の根源を理解するための基礎となります。

赤ちゃんは、運動、視覚、聴覚、その他の機能に特化した領域にあらかじめ組織化された脳を持って生まれてきます。これは、最初の息を吸った瞬間から世界について学び始めるための重要なインフラストラクチャーです。 しかし、出生前の脳の発達の研究には困難が伴うため、脳の構造がどのように構築されるかについてはほとんどわかっていません。

ファットテール・ダナートは、妊娠わずか 13 日で生まれ、脳がまだほとんど形成されていないマウスに似た有袋類です。 セントルイスのワシントン大学医学部の研究者らは、母親の袋の中で成長するダナート・ジョーイの脳の発達を観察することで、皮質として知られる脳の外表面がどのように組織され、それ自体を構造化しているのかについての洞察を集めた。この重要なプロセスは、これまでの科学的調査ではほとんど理解できませんでした。 脳の構造が通常どのように発生するかを理解できれば、そのプロセスがなぜ、どのようにして失敗し、神経障害につながるのかを知るための重要な手がかりが得られる可能性があります。

この研究は、米国科学アカデミー紀要誌でオンラインで閲覧できます。

「皮質が形成途中であっても、脳のさまざまな機能領域に明確な活動パターンが現れます」と、主著者で神経生物学のエジソン教授で神経科学部門長のリンダ・J・リチャーズ博士は述べた。 「これらのパターンは、異なる脳領域間の接続を確立するために重要である可能性があります。 私たちは、パターン化された活動が脳全体でどのように発達するのか、そしてそれがうまくいかなかった場合に何が起こるのかを知りたいと考えています。 パターン化された活動の変化は、脳の回路の構築方法をどのように混乱させるのでしょうか?また、それはてんかんや自閉症などの脳の病気にどのような影響を与える可能性がありますか?」

人間を含む哺乳類の神経系の発達は、受胎後最初の数週間でいわゆる神経管が出現することから始まります。 神経管の一端は脳に出芽します。 もう一方は脊髄まで伸びます。 数週間かけて、初期の脳の外表面の細胞が大脳皮質に組織化されます。大脳皮質は、記憶、思考、学習、感覚、感情を司る、くしゃくしゃになった脳の外表面です。 ダンナートは神経管が形成された直後に生まれるため、母親の袋の中にいる間に大脳皮質が発達します。 人の場合、大脳皮質は受胎後約 5 週間で形成され始め、妊娠第 2 期まで発達を続けます。

研究チームにはリチャーズ氏のほかに、共著者で医学部の発生生物学および神経科学の教授であるジェフリー・J・グッドヒル博士が含まれていた。 共同筆頭著者のロドリゴ・スアレス博士、トビアス・ブルーエット博士、マイケル・H・マッカロウ博士も同様で、最初の研究が行われたとき、彼らは全員オーストラリアのクイーンズランド大学に在籍していました。

ニューロンが活動すると、細胞内のカルシウムレベルが上昇します。 ジョーイたちの脳内の神経活動を監視するために、研究者らはカルシウムレベルが上昇すると光る蛍光指示薬を使用した。 彼らは、新しいニューロンがまだ生成されており、皮質の6層構造がまだ構築中であるにもかかわらず、活動のパターンが非常に早い段階で現れることを発見しました。

「非常に早い段階から、どのようなパターンにもない少しの活動が始まりますが、パターンが見えるようになるとすぐに、脳の体性感覚領域と視覚領域でパターンが異なることがわかります。」リチャーズ氏は語った。

活動の明確なパターンは、皮質と視床の間の接続が確立されるのとほぼ同時に現れます。視床は、運動信号と感覚信号を皮質に中継する脳の中央にある卵型の構造です。 研究者らは現在、皮質の発達における視床の役割を調査するさらなる研究を行っているとリチャーズ氏は述べた。