選択的細胞除去法と可逆的神経伝達抑制法による神経回路解析アプローチ

Conditional Cell Targeting and Reversible Synapse Silencing to Study Neural Circuits

はじめに

　脳はさまざまな領域から構成される多様性を特徴とする器官であり，領域間の複雑な連携により高度な機能を発現する。脳局所を破壊し，行動学的，電気生理学的手法により神経機能の障害を解析するアプローチは，各脳領域の機能分化の解明に寄与してきた。既に19世紀のフランスの生理学者Flourensは大脳・小脳・脊髄の破壊実験を行い，運動制御について現代にも通じる概念を確立している。可塑性に富む脳は，生後も経験依存的に変化し，新たな機能を獲得し続ける特徴を持つ。さまざまな時間スケールで進行する脳のダイナミックなプロセスを検証するためには，可逆的に神経情報を遮断するアプローチが有効である。例えばHubel，Wieselらは，生後の動物個体の視覚を一時的に遮断することで，視覚系における臨界期を明らかにした。脳局所の破壊や神経活動遮断実験は，電気生理学的な神経活動計測や形態学的手法とともに神経科学の重要なアプローチであり，脳の各領域の機能性，制御メカニズムについて多くの知見をもたらしてきた。

　脳の各領域の機能と可塑的変化は，それぞれ神経回路を構成する神経細胞間の相互作用によって生み出される。神経回路は複数のタイプの神経細胞から構築されており，それぞれのタイプの神経細胞が神経回路の動作や制御にどのように作用するか理解することが重要である。神経回路が単純で透明な線虫のようなモデル動物では，レーザー照射により体系的に神経細胞の除去実験を行うことで神経回路の動作原理について比較的容易に解析できるかもしれない。しかしながら，哺乳類の複雑な神経回路を解析するには別の手法が必要となる。遺伝子工学，分子遺伝学の発展により，哺乳類の生体での精度の高い神経細胞除去，可逆的神経伝達遮断技術が開発されつつある。本稿では特に抗原－抗体反応の特異性を利用したimmunotoxinによる選択的神経細胞除去，破傷風毒素（tetanus neurotoxin）を応用した可逆的な神経伝達制御技術について解説する。

Abstract

　Brain function and plasticity are governed by interactions among neurons that are organized into highly diverse and complex networks.　For understanding the mechanisms of information processing and plastic modification in the neural networks,experimental approaches to examine the effect of removing or silencing a restricted population of neuronal cells are useful.　Since the mammalian brain is composed of numerous types of neurons,it is essential to establish techniques for precisely ablating or silencing specific neuronal cell types.　Immunotoxins,which were originally designed as anticancer agents,are monoclonal-antibody conjugates containing toxins that kill cells bearing the target antigens.　Conditional cell-ablation approaches based on the specificity of immunotoxins have been applied to elucidate the mechanisms underlying the operations and regulations of neural circuits.　Tetanus neurotoxin inhibits synaptic transmission by cleaving VAMP2,which is essential for activity-dependent neurotransmitter release from presynaptic terminals.　Transgenic animals that express tetanus neurotoxin under the control of a tetracycline-dependent inducible promoter system have been developed to reversibly control synaptic transmission in specific neuronal pathways.　This review article describes the progress in the development of technologies that allow precise dissection of neural circuits,focusing on immunotoxin-mediated conditional cell targeting and tetanus neurotoxin mediated reversible synapse silencing.