3人は、科学者が選んだ脳細胞を光でオンにしたりオフにしたりできるようにする、藻類のタンパク質を見つけました。
- ある緑藻は、青い光が当たると小さなゲートを開くタンパク質を持っています。
- そのタンパク質の遺伝子を神経細胞に入れると、光を一瞬当てるだけでその細胞が発火します。
- 記憶や感情、行動をどの脳細胞が引き起こしているのかを、生きた動物で確かめられるようになりました。
それまでの課題
20世紀、研究者たちは脳のどの領域がどの役割を担っているかを突き止めました。しかし道具が大まかだったため、活動を観察して関連を見ることはできても、ある種類の神経細胞が感情や行動を引き起こしていると証明することはできませんでした。
役割の異なる神経細胞は密に入り混じっており、従来の方法では1種類だけを狙うことができませんでした。フランシス・クリック（Francis Crick）は、特定の種類の細胞を制御するには光が理想的だと提案していました。それ以前の試みには複数の遺伝子や外から加える化学物質が必要だったため、生きた脳では使いにくいものでした。
しくみ
マウスを1匹用意し、問いを1つ立てます。脳のある細胞群が、マウスを眠りから目覚めさせるのでしょうか。科学者は改変したウイルスを運び役にして、チャネルロドプシン2の遺伝子をその種類の細胞だけに届けます。こうして、その細胞だけが光のゲートを作ります。
次に、頭蓋骨の小さな穴から細い光ファイバーを差し込みます。ファイバーを通して青い光を当てると、1ミリ秒にも満たない時間でゲートが開き、電気を帯びた粒子が流れ込んで、選んだ細胞だけが発火します。
2007年の研究では、これらの細胞を光で照らすと、眠っているマウスが目覚めやすくなりました。これは、その細胞が単に同じタイミングで活動しているだけではなく、目覚めを引き起こせることを示しています。別の色に反応する別のタンパク質を使えば細胞の活動を抑えることもできるので、研究者は同じ回路をオンにもオフにもできます。
選んだ家だけに付ける、光で鳴る呼び鈴
飛行機から見ると、どの家も同じに見える街を想像してください。青い懐中電灯で照らしたときだけ鳴る呼び鈴を、ある種類の家、たとえばパン屋にだけ取り付けます。すると上空を飛びながら光を当て、パン屋だけが目を覚ましたときに街がどう動くかを見ることができます。このたとえには2つの限界があります。「呼び鈴」の正体は、電気を帯びた粒子を細胞の中に流し込むゲートであること。そして科学者は遺伝子を届けることでそれを取り付け、ゲートは細胞自身が作るということです。
- 脳科学を「この細胞たちは一緒に活動している」から「この細胞がこれを引き起こす」へと変え、しかもミリ秒単位のタイミングで制御できるようにしました。
- 世界中の研究室がこの方法を使い、動物の痛み、のどの渇き、摂食、報酬、注意、社会行動、子育てに関わる回路を見つけてきました。
- 2012年には、恐怖の記憶ができたときに目印を付けた細胞を光で照らすだけで、マウスにその記憶をよみがえらせることができました。
- 2021年の研究では、網膜色素変性症で失明した患者が、チャネルロドプシンに似たタンパク質と光を出すゴーグルを使って、視力の一部を取り戻したと報告されました。
- うつ病、不安、統合失調症、アルツハイマー病、パーキンソン病について、また心臓と腸と脳のつながりについて、新しい知見をもたらしました。
10秒
藻類から光で働くタンパク質を借りてきて、科学者が狙った脳細胞を光の点滅でオン・オフできるようにしました。
子どもに
池には、光を感じてそちらへ泳いでいける、とても小さな緑の生き物がいます。科学者たちは、その生き物が光を感じるのに使う部品を借りて、マウスの脳の細胞に入れました。いまでは青い光をつけると、ボタンを押したときのように、その脳の細胞のスイッチが入ります。
30秒
池にすむ藻類は、青い光が当たるとゲートのように開くタンパク質を持っています。2000年代初めに、ドイツの科学者2人がそれを見つけました。アメリカの精神科医がその遺伝子を神経細胞に入れると、光を一瞬当てるだけでその細胞が発火しました。今では生きた動物の中で特定の種類の細胞をオンにしたりオフにしたりして、何が起こるかを見ることができます。これにより、単なる相関ではなく因果関係を示せます。
2分
脳にはおよそ900億個の神経細胞があり、まったく違う役割の細胞が入り混じっています。1世紀にわたり、科学者はどの領域が活発になるかは見られても、どの細胞が何を引き起こすのかは証明できませんでした。どの家も同じに見える街で、パン屋が何をしているのかを知りたいと想像してください。そこで、青い光を当てたときだけ鳴る呼び鈴を、パン屋にだけ取り付けるとします。この3人が脳に対してしたのは、まさにそういうことです。ペーター・ヘーゲマン（Peter Hegemann）とゲオルク・ナーゲル（Georg Nagel）は呼び鈴を見つけました。光に向かって泳ぐ緑藻の中にある、チャネルロドプシンというタンパク質です。カール・ダイセロス（Karl Deisseroth）は、それを神経細胞に組み込む方法を考え出しました。初期のある実験で、彼のチームは眠っているマウスの特定の細胞群にこれを入れ、細いファイバーを通して光を当てました。するとマウスは目覚めやすくなりました。これは、その細胞が目覚めを引き起こせることを示しています。同じ手法はその後、恐怖の記憶、のどの渇き、報酬、痛みの回路を見つけるのに使われ、今では目の病気で失明した人に視力の一部を取り戻す方法として試されています。
- イオンチャネル
- 細胞の外側の膜にある小さなゲートで、電気を帯びた粒子を出し入れします。
- チャネルロドプシン
- 藻類のタンパク質で、それ自体がイオンチャネルです。青い光が当たると開きます。
- 光遺伝学（オプトジェネティクス）
- 遺伝子と光を組み合わせて、選んだ細胞をオンやオフにする方法です。
- クラミドモナス
- 幅およそ0.015 mmの単細胞の緑藻で、光に向かって泳ぎます。
- 神経信号
- 神経細胞がメッセージを伝えるために出す、短い電気のパルスです。
- 光ファイバー
- 光を組織の奥まで運ぶ、細いガラスの糸です。
- エングラム（記憶痕跡）
- 1つの記憶を蓄えている、特定の神経細胞の集まりです。
- 網膜色素変性症
- 目の中で光を感じる細胞を壊し、失明を引き起こす遺伝性の病気です。
Sources, reader versions and the quiz are on the English page.