カルシウムイメージング
【細胞は、カルシウムを信号として用いているので、カルシウムと反応して蛍光を発する塗料を利用すると、ニューロンの発火によりカルシウムイオンがニューロンに流入し、細胞質に波紋が伝わる様子を映像化できる。(R・ダグラス・フィールズ(19xx-))】(a)細胞がカルシウムをシグナルとして使用している理由
(1)細胞膜にあるポンプが絶えずカルシウムを細胞外に排出しているため、細胞内のカルシウム濃度は、細胞外の濃度の1万分の1でしかない。
(2)カルシウムの一部は、小胞体と呼ばれる細胞質の貯蔵タンクへ、ポンプで汲み入れられている。小胞体のこのポンプ活動は、細胞質から余分なカルシウムを除去するだけでなく、小胞体そのものがカルシウム貯蔵庫となって、大量のカルシウムを一気に放出して、その下流でいくつかのプロセスを活性化し、細胞応答を始動させる役割を担うことも可能にしている。
(3)ある受容体が、それが感知するように設計されている特定の化学物質を見つける。
(4)細胞膜に小さな孔を開き、カルシウムイオンを一時的に細胞内へ流入させる。
(5)受容体分子が見張っていた出来事の発生を、細胞全域に知らせ、適切な細胞応答の開始を先導する。
(b)カルシウムイメージングの手法
カルシウムが存在すると奇妙な緑色の蛍光を発する染料に細胞を浸して、顕微鏡で観察すると、さまざまな刺激が生きた細胞の内部でどのようにカルシウムシグナルを引き起こすのかを見ることができる。
ニューロンにおいては、
(1)軸索で電気的インパルスが発火される。
(2)ニューロンの細胞膜にある特別に分化したイオンチャネルは、電圧の変化を感知する。
(3)このタンパク質チャネルが、電気的インパルスに反応してわずかな時間だけ開く。
(4)カルシウムイオンがニューロン内へ一気に流入する。
(5)細胞質にカルシウムの波紋が伝わっていく。
「細胞の表面には、目も眩むほどのさまざまなセンサーがあって、周囲の化学的環境を絶えず監視している。ある受容体が、それが感知するように設計されている特定の化学物質を見つけると、細胞膜に小さな孔を開き、カルシウムイオンを一時的に細胞内へ流入させて、細胞全体に警報を発する。このカルシウムシグナルは、「イギリス軍が来るぞ！」という警報に相当し、その受容体分子が歩哨として見張っていた出来事の発生を細胞全域に知らせ、適切な細胞応答の開始を先導する。スティーヴン・スミスらのグループは、カルシウムが存在すると奇妙な緑色の蛍光を発する染料に細胞を浸し、この新たな顕微鏡を用いて、さまざまな刺激が生きた細胞の内部でどのようにカルシウムシグナルを引き起こすのかを熱心に調べた。
私たちの細胞がカルシウムをシグナルとして使用するのは、体内のすべての細胞が、カルシウムで満たされた海のような環境に生息しているからだ。だが細胞の内側では、状況は大きく異なる。堤防システムが海水の浸入を阻んでいるように、細胞膜にあるポンプが絶えずカルシウムを細胞外に排出しているため、細胞内のカルシウム濃度は、細胞外の濃度の1万分の1でしかない。これは、カルシウムイオンが細胞内で強力なメッセンジャーとして機能するためには、申し分のない状況だ。カルシウムの一部は、小胞体と呼ばれる細胞質の貯蔵タンクへ、ポンプで汲み入れられている。小胞体のこのポンプ活動は、細胞質から余分なカルシウムを除去するだけでなく、小胞体そのものがカルシウム貯蔵庫となって、大量のカルシウムを一気に放出して、その下流でいくつかのプロセスを活性化し、細胞応答を始動させる役割を担うことも可能にしている。
カルシウムは、すべての細胞内部で情報交換の主要通貨としての役目を果たし、絶えず変わり続ける細胞環境の状況に合わせて、細胞応答を調和させている。ニューロンもこの情報の細胞内通貨に頼っている。ニューロンの細胞膜にある特別に分化したイオンチャネルは、軸索で電気的インパルスが発火されたときに生じる電圧の変化を感知する。このタンパク質チャネルが、電気的インパルスに反応してわずかな時間だけ開くと、カルシウムイオンがニューロン内へ一気に流入する。細胞表面の電気現象に続いて、細胞質にカルシウムの波紋が伝わっていく軌跡を監視することで、細胞深部の働きも、外部の電気現象を常に把握しているのだ。科学者たちは今では、この新たなカルシウムイメージングの手法を用いて、ニューロンの発火を文字どおり見ることができるようになった。
生きた細胞を使用したカルシウムイメージング技術は革新的であり、大きな衝撃を与えた。というのも、この手法は、科学者が生きた細胞の働く様子をリアルタイムで観察できる新たな境地を開いたからだ。カルシウムイオンと結合すると蛍光を発する色素によって、それまでひそかに行われていた細胞どうしのメッセージのやり取りが目に見えるようになった。」
(R・ダグラス・フィールズ(19xx-),『もうひとつの脳』,第1部 もうひとつの脳の発見,第3章 「もうひとつの脳」からの信号伝達――グリアは心を読んで制御している,講談社(2018),pp.107-109,小松佳代子(訳),小西史朗(監訳))
(索引:カルシウムイメージング)
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（出典：R. Douglas Fields Home Page）
「アストロサイトは、脳の広大な領域を受け持っている。一個のオリゴデンドロサイトは、多数の軸索を被覆している。ミクログリアは、脳内の広い範囲を自由に動き回る。アストロサイトは一個で、10万個ものシナプスを包み込むことができる。」（中略）「グリアが利用する細胞間コミュニケーションの化学的シグナルは、広く拡散し、配線で接続されたニューロン結合を超えて働いている。こうした特徴は、点と点をつなぐニューロンのシナプス結合とは根本的に異なる、もっと大きなスケールで脳内の情報処理を制御する能力を、グリアに授けている。このような高いレベルの監督能力はおそらく、情報処理や認知にとって大きな意義を持っているのだろう。」（中略）「アストロサイトは、ニューロンのすべての活動を傍受する能力を備えている。そこには、イオン流動から、ニューロンの使用するあらゆる神経伝達物質、さらには神経修飾物質（モジュレーター）、ペプチド、ホルモンまで、神経系の機能を調節するさまざまな物質が網羅されている。グリア間の交信には、神経伝達物質だけでなく、ギャップ結合やグリア伝達物質、そして特筆すべきATPなど、いくつもの通信回線が使われている。」（中略）「アストロサイトは神経活動を感知して、ほかのアストロサイトと交信する。その一方で、オリゴデンドロサイトやミクログリア、さらには血管細胞や免疫細胞とも交信している。グリアは包括的なコミュニケーション・ネットワークの役割を担っており、それによって脳内のあらゆる種類（グリア、ホルモン、免疫、欠陥、そしてニューロン）の情報を、文字どおり連係させている。」(R・ダグラス・フィールズ(19xx-),『もうひとつの脳』,第3部 思考と記憶におけるグリア,第16章 未来へ向けて――新たな脳,講談社(2018),pp.519-520,小松佳代子(訳),小西史朗(監訳))
(索引:)
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「みなさんは、行為の理解はまさにその性質のゆえに、潜在的に共有される行為空間を生み出すことを覚えているだろう。それは、模倣や意図的なコミュニケーションといった、しだいに複雑化していく相互作用のかたちの基礎となり、その相互作用はますます統合が進んで複雑化するミラーニューロン系を拠り所としている。これと同様に、他者の表情や動作を知覚したものをそっくり真似て、ただちにそれを内臓運動の言語でコードする脳の力は、方法やレベルは異なっていても、私たちの行為や対人関係を具体化し方向づける、情動共有のための神経基盤を提供してくれる。ここでも、ミラーニューロン系が、関係する情動行動の複雑さと洗練の度合いに応じて、より複雑な構成と構造を獲得すると考えてよさそうだ。
「バナナに手をのばすことならどんな類人猿にもできるが、星に手をのばすことができるのは人間だけだ。類人猿は森のなかで生き、競いあい、繁殖し、死ぬ――それで終わりだ。人間は文字を書き、研究し、創造し、探究する。遺伝子を接合し、原子を分裂させ、ロケットを打ち上げる。空を仰いでビッグバンの中心を見つめ、円周率の数字を深く掘り下げる。なかでも並はずれているのは、おそらく、その目を内側に向けて、ほかに類のない驚異的なみずからの脳のパズルをつなぎあわせ、その謎を解明しようとすることだ。まったく頭がくらくらする。いったいどうして、手のひらにのるくらいの大きさしかない、重さ3ポンドのゼリーのような物体が、天使を想像し、無限の意味を熟考し、宇宙におけるみずからの位置を問うことまでできるのだろうか？ とりわけ畏怖の念を誘うのは、その脳がどれもみな（あなたの脳もふくめて）、何十億年も前にはるか遠くにあった無数の星の中心部でつくりだされた原子からできているという事実だ。何光年という距離を何十億年も漂ったそれらの粒子が、重力と偶然によっていまここに集まり、複雑な集合体――あなたの脳――を形成している。その脳は、それを誕生させた星々について思いを巡らせることができるだけでなく、みずからが考える能力について考え、不思議さに驚嘆する自らの能力に驚嘆することもできる。人間の登場とともに、宇宙はにわかに、それ自身を意識するようになったと言われている。これはまさに最大の謎である。」
「もし社会的情動とその後の感情が存在しなかったら、たとえ他の知的能力は影響されないという非現実的な仮定を立てても、倫理的行動、宗教的信条、法、正義、政治組織といった文化的構築物は出現していなかったか、まったく別の種類の知的構築物になっていたかのいずれかだろう。が、少し付言しておきたい。私は情動と感情だけがそうした文化的構築物を出現させているなどと言おうとしているのではない。第一に、そうした文化的構築物の出現を可能にしていると思われる神経生物学的傾性には、情動と感情だけでなく、人間が複雑な自伝を構築するのを可能にしている大容量の個人的記憶、そして、感情と自己と外的事象の密接な相互関係を可能にしている延長意識のプロセスがある。第二に、倫理、宗教、法律、正義の誕生に対する単純な神経生物学的解釈にはほとんど望みがもてない。あえて言うなら、将来の解釈においては神経生物学が重要な役割を果たすだろう。しかし、こうした文化的現象を十分に理解するには、人間学、社会学、精神分析学、進化心理学などからの概念と、倫理、法律、宗教という分野における研究で得られた知見を考慮に入れる必要がある。実際、興味深い解釈を生み出す可能性がもっとも高いのは、これらすべての学問分野と神経生物学の〈双方〉から得られた統合的知識にもとづいて仮説を検証しようとする新しい種類の研究だ。」
