ニューロンから学習と記憶まで | マサチューセッツ工科大学ニュース

MITのマーク・ハーネット准教授は、生きたニューロンから電気活動がスパイクしているのを初めて見たときのことを今でも覚えている。

彼はリード大学の 4 年生で、数週間かけてパッチ クランプ リグを構築しました。パッチ クランプ リグは、ニューロンを優しく探り、その電気活動を測定するために使用できる電極を備えた実験装置です。

「初めてこれらの電極の 1 つをこれらのセルの 1 つに貼り付け、オシロスコープでリアルタイムで起こっている電気活動を確認したとき、私はこう思いました。『なんてことだ、これを残りの期間ずっとやることだ』私の人生。 これは私が今まで見た中で最もクールなものです！」とハーネットは言います。

最近 MIT の脳・認知科学学部で終身在職権を獲得したハーネット氏は、現在、ニューロンの電気的特性と、これらの特性によって神経回路が学習、記憶、感覚知覚などの脳機能を引き起こす計算をどのように実行できるかを研究しています。

「私の研究室の最終目標は、皮質がどのように機能するかを理解することです」とハーネット氏は言います。 「計算とは何ですか？ 細胞、回路、シナプスはそれらの計算をどのようにサポートしているのでしょうか? 学習と記憶の分子的および構造的基盤は何ですか? これらは回路のダイナミクスとどのように相互作用して、柔軟でコンテキストに依存した計算を生成するのでしょうか?」

「私たちはその後、シナプス受容体やイオンチャネルなどの分子を調べ、動物の行動に至るまで研究し、神経回路の理論モデルを構築します」と彼は付け加えた。

精神への影響

ハーネットが科学に興味を持つようになったのは、中学生のとき、科学に命を吹き込む教師がいたときでした。 「それは中学校の理科で、ランダムなものをただ混ぜ合わせるだけのことが多かったです。 特に高度なことはありませんでしたが、とても楽しかったです」と彼は言います。 「私たちの先生は本当に励ましとインスピレーションを与えてくれました。彼女は私の科学への生涯にわたる興味を本当に刺激してくれました。」

ハーネットが 11 歳のとき、父親はミネアポリスのテクノロジー企業に再就職し、家族はニュージャージーからミネソタに引っ越しましたが、適応するのは困難でした。 大学を選ぶとき、ハーネットさんは遠くに行こうと決め、最終的に学業と自己啓発の両面で自主性を大いに奨励しているオレゴン州ポートランドのリード大学を選びました。

「リードは本当に自由でした」と彼は振り返る。 「なりたかった自分に成長し、学業や芸術面でやりたいことだけでなく、なりたかった人間になれるようさまざまなことに挑戦することができました。」

大学在学中、ハーネットは生物学と英語、特にシェイクスピアの両方を楽しみました。 英語の教授たちは、この分野には創造的に文章を書いて考えることができる科学者が必要であると信じて、彼に科学の道に進むよう勧めました。 彼は神経科学に興味がありましたが、リードには神経科学の学部がなかったため、見つけられる限り最も近い科目である神経薬理学のコースを受講しました。

「あの授業は私の心を完全に驚かせました。 植物由来のものであれ、合成物質であれ、その他のものであれ、心の働きに影響を与えるこれらすべての薬理作用物質について考えるのはとても興味深いことでした」とハーネットは言う。 「その授業は、自分が何をしたいのかについての私の考え方を大きく変えてくれました。そして、そのとき、私は神経科学者になりたいと決心しました。」

ハーネットは上級研究論文のため、オレゴン健康科学大学 (OHSU) の電気生理学研究室に参加し、聴覚系におけるシナプス伝達を研究するラリー・トラッセル教授と共同研究しました。 その研究室は、彼が最初にパッチ クランプ リグを構築し、ニューロンの活動を測定するために使用した場所でした。

大学卒業後、ミネソタ大学の研究室で研究技術者として 1 年間過ごし、その後 OHSU に戻り、別の研究室でイオン チャネルとシナプス生理学を研究しました。 最終的に彼は大学院に進学することを決意し、最終的にはテキサス大学オースティン校に進学し、そこで将来の妻が公共政策を学んでいました。

博士課程の研究では、神経調節物質であるドーパミンを放出するニューロンと、それらのニューロンが乱用や依存症の薬物によってどのような影響を受けるかを研究しました。 しかし、学位を取得すると、ハワード・ヒューズ医学研究所ジャネリア・リサーチ・キャンパスでジェフ・マギーとともに博士研究員として研究していた計算生物物理学の研究に戻ることにしました。

幅広いアプローチ

2015 年に MIT のマクガバン研究所で研究室を始めたとき、ハーネット氏は研究対象を拡大することに着手しました。 イオン チャネルとシナプスの生理学は彼の研究室の研究の多くの基礎を形成していますが、それらはこれらのプロセスをニューロンの計算、皮質回路の動作、およびより高次の認知機能に結びつけています。

ニューロン間を流れる電気インパルスは、ニューロン同士の通信を可能にし、カリウムやナトリウムなどのイオンの流れを制御するイオンチャネルによって生成されます。 で 2021年の調査ハーネットと彼の学生たちは、他の哺乳類のニューロンと比較して、ヒトのニューロンにはこれらのチャネルの数が予想よりもはるかに少ないことを発見しました。

この密度の低下は、脳がより効率的に動作するのを助けるために進化した可能性があり、複雑な認知タスクを実行するために必要な他のエネルギー集約的なプロセスにリソースを振り向けることができます。 ハーネットの研究室 も見つけました 人間のニューロンでは、電気信号が樹状突起に沿って流れるにつれて弱くなるということは、樹状突起の小さな部分がニューロン内で個々の計算を実行するユニットを形成できることを意味します。

ハーネットの研究室はまた、驚いたことに、成人の脳には何百万もの「サイレントシナプス」 — 新しい記憶の形成を助けるために募集されるまで、非アクティブなままになる未熟なつながり。 これらのシナプスの存在は、成人の脳がどのようにして成熟したシナプスを変更することなく新しい記憶を形成し、新しいことを学習し続けることができるのかを解明する手がかりを提供します。

これらのプロジェクトの多くは、ハーネットが教員としてのキャリアを始めたときに必ずしも取り組んでいるとは想像していなかった分野に当てはまりますが、それらは自然に、彼が大脳皮質の研究に望んでいた広範なアプローチから生まれました。 そのために、彼は分子生理学から行動や計算モデリングに至るまで、さまざまなレベルで研究したい人々を研究室に連れてこようと努めました。

ハーネットは、電気生理学を研究するポスドクとして、ほとんどの時間を一人でパッチ クランプ デバイスと 2 光子顕微鏡を使って研究することに費やしました。 彼の研究室では依然としてその種の研究が行われていますが、全体的な雰囲気は以前よりもはるかに協力的で陽気になり、指導者として、研究室の全体的な使命に適合する独自のプロジェクトを考え出す広い自由を学生に与えることを望んでいます。

「私には信じられないほどダイナミックなグループがあり、一緒に仕事をするのは本当に素晴らしいものでした。 私たちは大脳皮質の研究に幅広いアプローチをとっていますが、それが研究の面白さだと思います」と彼は言います。 「私が採用できた大学院生、技術者、学部生、博士研究員などの人々と協力することは、おそらく私にとって最も重要なことです。」