あなたが、ありとあらゆる何かを経験するとき、それがどのようなものであれ、脳神経細胞のニューロンは活発に働いている。

ヒトの脳全体で千数百億個あるとも言われるニューロン。「経験」はそれぞれ異なるニューロンの接続パターンをつくり出すと言われているが、これらの脳神経活動を深く分析することで、ヒトの脳がどのように世界を認識するか、そしてどのように記憶を形成しているのか突き止められるだろうか？

膨大な数のニューロンが織りなす接続パターンは、ほんの部分的なものだけでも途方もない量に及ぶ。ところが、ニューロン内の遺伝子発現パターンを分析することで、脳神経細胞の活動記録を再建築できるという画期的な方法が、学術誌『Neuron』で報告された。

おそらく脳神経細胞は、われわれの経験を「遺伝子のスイッチ」を改変させることによって記録している──。それが、米ハーヴァード大学医学部の遺伝子学博士課程の研究者であるケルシー・ティソウスキーら研究チームの実験が明かした脳の仕組みのひとつだ。

ニューロンの活性時間が遺伝子発現量と関連

この発見はまず、ペトリ皿での実験から始まった。ティソウスキーは、ペトリ皿で培養したニューロンにごく短時間の刺激を与えると、その刺激に対して迅速に応答する遺伝子が発現することを発見した。反対に、ニューロンへの持続的な刺激は、迅速に応答するものと、それよりも遅く応答する遺伝子の両方が発現することを突き止めた。

ペトリ皿での実験結果は、門外漢のわれわれでも直感的に受け入れられるものだ。

たとえば熱いフライパンで火傷をしてしまったときなどは、短時間の刺激ですぐに反応できる迅速な遺伝子が脳内で発現する。また、誰かの顔と名前を覚えなければならない場合などは、火傷よりも長いあいだニューロンへの刺激が持続する。そうしたときには、迅速に応答するものと遅く応答する遺伝子の両方が発現するのだ。事実、ティソウスキーが発見した遺伝子発現パターンは、ニューロンがどれほど長く発火したかを反映するものだったという。

「ケルシー（ティソウスキー）の発見はエレガントで、予想外のシンプルさが自然にあります」と、共著者である遺伝子学のジェシー・グレイ准教授は言う。「ニューロンの活動が持続すればするほど、より多くの遺伝子が発現することがわかったのです」

脳神経活動が上昇すると、ニューロン内ではこれらの活動を制御する遺伝子が発現する。このプロセスは、シナプスの強化や弱化、また機能的、構造的な変化を促すことなどに必要だと思われている。

ではペトリ皿でみられたこのプロセスは、実際の脳でも同じように機能しているのだろうか？ またこのプロセスを逆手にとり、ニューロンの遺伝子発現を調べるだけで、どれほど長いあいだ脳が刺激を受けたのかを推測することは可能だろうか？

マウスの脳を使った実験

そこで研究チームは、暗闇で育てられたマウスの視覚野にある脳神経細胞で、光を感知することによって発現する遺伝子に着目。マウスのケージ近くで、短時間（5秒～5分間）または長時間（6時間）ライトを照射し、活性化した視覚野のニューロン活動を記録した。

結果、ペトリ皿でのニューロン刺激に応答する遺伝子発現プロセスは、マウスの脳でも同じように起こっていることがわかった。すなわち、短時間の光照射では素早く反応する遺伝子が発現し、長時間の光照射では反応の速いものと遅い遺伝子の両方が発現していた。

興味深いことに、それぞれの刺激に対応する遺伝子発現パターンは、脳の6層構造のいずれかにあるニューロンによって異なっていた。反応の速い遺伝子発現は脳の深い層にあるニューロンで起こり、反応の遅い遺伝子発現は比較的表面層にあるニューロンで起こっていた。

研究者らはこれについて、「迅速的および持続的ニューロンの間で発現する遺伝子の大部分に、層によって特有の発現傾向があったことから、迅速的および持続的ニューロンの主な遺伝的相違は、各層の位置から生じている可能性がある」と、論文にて説明している。

またティソウスキーは、マウスの視覚野にあるニューロンの遺伝子発現パターンから、それらがどれほど長いあいだ光照射を受けたのかもコンピューターモデルで予測することができた。脳細胞の遺伝子発現量を調査することで、受けた「経験」を垣間見ることができたというわけだ。

遺伝子発現の速さが意味するもの

この研究結果についてグレイ准教授は、われわれの感情体験を思考や行動に変換するプロセスを、捕食者と被食者にたとえれば理解しやすいと説明している。われわれが捕食されるかどうかを素早く判断するには、ミリ秒単位の迅速な電気化学的計算と、迅速な行動が必要である。ニューロン内で迅速に発現する遺伝子はこれを可能にする。

反対に、数時間や数日にわたって計画を練り、行動に移すときなどは、ニューロンは遅く発現する遺伝子を使用するのだと彼は言う。「これは次に同じ天敵に遭遇したとき、捕食されるのを簡単に避けられるよう覚えておくのに役立つことでしょう」

われわれの脳神経細胞は、受けた刺激──または「経験」を、遺伝子のスイッチを切り替えることによって「記憶」している。研究チームは反応の速い遺伝子と遅い遺伝子の関係をひも解くことで、われわれの脳がどのように新しい経験に基づいた情報を収納し、ニューロンの過活動を調整するのか、そのメカニズムの解明に取り組んでいきたいと話している。