名古屋大学の森郁恵教授・貝淵弘三教授らの共同研究チームは、線虫を用いた研究で、神経細胞の中に単一細胞として記憶を形成できる能力を持つものが存在することを初めて発見した。

古くから記憶・学習の成立機構には様々な仮説が提案されてきたが、現在のところシナプス説が最も有力となっている。シナプス説では、記憶や学習が多細胞間の相互作用によって支えられており、特に神経回路網内でのシナプス伝達効率が変化する「シナプスの可塑的変化」によって成り立つと考える。

共同研究チームは、これまでに線虫C.elegansの温度走性行動をモデル系として、記憶・学習のメカニズムとその破綻による精神・神経疾患の発症機序の解明を目指してきた。温度走性行動とは、一定の温度で、餌の存在する条件下で飼育された個体が、餌のない温度勾配上で、過去に体験した飼育温度へ移動する行動であり、この行動をつかさどる神経回路の最も上流に位置するのが、温度受容細胞であるAFDニューロンである。

今回の研究では、AFDニューロンの初代培養系を確立し、AFDニューロンを他の細胞から完全に隔離した条件下で、培養温度依存的な温度応答が観察されることを示した。また、この単一の神経細胞による記憶の分子レベルでの実体を解き明かすために、遺伝子変異体を用いた解析を実施したところ、cmk-1遺伝子の機能欠損変異体で、この単一神経細胞の記憶に深刻な異常が観察された。

このcmk-1遺伝子は生物種を超えて広く保存されたカルシウム-カルモジュリン依存性プロテインキナーゼCaMKI/IVをコードするため、線虫の全タンパク質に対して、ヒトのCaMKIタンパク質を用いたリン酸化プロテオミクス解析を実施し、CaMKI/IVの標的分子の網羅的な探索を行った。その結果、ヒトCaMKIのリン酸化標的分子の候補として38の線虫タンパク質を同定し、さらにこれらのタンパク質の中に含まれていたRafキナーゼの欠損が単一神経細胞の記憶に異常を引き起こすことを突き止めた。

本研究成果は、神経ネットワークだけなく、個々の細胞1つ1つにも記憶が宿り得るという新概念を与えるものであり、長年にわたり生物学の課題とされてきた脳神経系における記憶メカニズムの解明に大きく寄与できると期待されている。

なお、この内容は「Cell Reports」に掲載された。論文タイトルは、「Single-Cell Memory Regulates a Neural Circuit for Sensory Behavior」。