友達の犬を小雨の降る散歩や夏の水泳に連れて行くとき、これはよくあることです。しかし最近まで、水が飛び散り、人間がずぶ濡れになり、銃口が歪む「濡れた犬のシェイク」の背後にある生物学は、触覚を解読しようと研究している科学者たちを困惑させていた。
先月、研究室の研究者たちは、 デビッド・ギンティ、エドワード R. レフラーおよびアン G. レフラー神経生物学教授、および ハーバード大学医学部の 神経生物学部門は、サイエンス誌に掲載された研究で、皮膚上の受容体から腕傍核と呼ばれる脳の一部まで、濡れた犬の震えの根底にある感覚信号を追跡するために最先端の技術を使用したと報告した。
研究者らは、研究者が単一のニューロンを分離して追跡し、光を使ってそれらを刺激またはブロックできるツール（その多くはギンティ研究室で開発されたもの）を使用して、C-LTMRと呼ばれる感覚ニューロンのクラスを活性化することによって震え行動を誘発できることを突き止めた。逆に、C-LTMRと腕傍核がミュートされている場合、機械的刺激によって引き起こされる濡れた犬の震えの数は減少します。
研究者らは、C-LTMRと呼ばれる感覚ニューロンの一種を活性化することによって震え行動を引き起こすことができると判断した。
人間には見られませんが、この動きは毛皮を持つ哺乳類に共通しており、昆虫、土、水、その他の物質が皮膚に触れようとしていることを早期に警告するシステムのような役割を果たしています。ハイイログマから犬や猫、実験用マウスに至るまであらゆる動物に起こるこの反応は生得的なものであり、反射的ではあるが動物によって制御できることを意味するとギンティ氏は述べた。人間の場合、ギンティはそれを腕に虫がとまる感覚に例えました。ほとんど考えずに腕をぐいと動かしたり、もう一方の手で弾いたりするかもしれませんが、必要に応じて制御することができます。ギンティの研究室では、研究者らは、光を使って特定のニューロンを刺激したりブロックしたりできるように遺伝子操作されたマウスの反応を引き起こすために、背中上部にヒマワリ油の液滴を塗布した。
「過去 15 ～ 20 年にわたって私たちが行ってきたことの 1 つは、皮膚に関連する各感覚ニューロンを個別に研究できる遺伝ツールを生成することであり、これは信じられないほど強力でした」とギンティ氏は語った。
皮膚には、熱さ、冷たさ、かゆみ、接触を感知する感覚受容器など、約 20 種類の異なる感覚受容器があります。 12 ほどの受容体が、素早い刺し傷から振動、一定の圧力、柔らかい愛撫まで、さまざまな種類の接触を検出します。 「濡れた犬の震え」を引き起こす信号は、毛包の基部を包み込む C-LTMR、つまり C 線維低閾値機械受容体で始まります。この受容体は身体の中で最も敏感な受容体の 1 つであり、髪のわずかな動きや髪の根元の周囲の皮膚のくぼみを感知することができます。
信号は受容体から神経細胞に沿って脊椎に伝わり、そこで脊髄と結合します。その後、信号は脊髄から出て、脳幹と腕傍核に伝わります。ギンティ氏は、開発された技術により、脊髄内で何が起こっているのかを理解するという大きなハードルを研究者が克服できるようになったと述べた。
「私たちは、視覚情報処理と音声情報処理の基礎となる神経回路の組織化の論理を理解しています」と、彼の研究室が数十年にわたって接触の神経生物学の解明に焦点を当ててきたギンティ氏は語った。 「触覚や体性感覚情報処理については、脊髄にアクセスして神経活動を記録することが非常に難しいため、私たちはそれを理解しようとしているようなブラックボックスの中にいます。」
研究者らは脳内の特定の場所への信号を追跡したが、多くの疑問が残っているとギンティ氏は語った。重要なことは、彼らが特定した経路が濡れた犬の震え反応のすべてを説明しているのか、それとも機能的操作の限界を考慮して、彼らが見ることができた以上のことが起こっているのかを理解することです。
「私たちがその質問に答えるのに苦労しています。なぜなら、私たちが通常使用しているツールが、これらのステップのいずれかをブロックするのに 100% 効果的であることはめったにないからです」とギンティ氏は言います。 「つまり、残りの 10 パーセントが残りの行動の根底にあるのか、それとも別の経路や別の細胞型が欠落しているのかはわかりません。この場合は後者だと思いますが、確信は持てません。」
国立衛生研究所とレフラー神経変性疾患研究センターの支援によるこの研究のもう一つの重要な疑問は、C-LTMR受容体が全身に存在するのに、なぜ背中の上部中央にある受容体だけが神経変性疾患を引き起こすのかということである。応答？
「今は、脳と身体の生理学、つまり身体が脳の中でどのように表現され、脳が身体の器官系をどのように制御しているかを理解するのに非常に刺激的な時期です。」
デビッド・ギンティ
行動の観点から見ると、答えは明らかです。体の一部は、たたいたりひっかいたりするための爪や足や蹄が届かないところにあるということです。しかし、それだけでは、体のその部分からの神経信号がどのように濡れた犬の震えを引き起こすのかを説明できません。一方、同じ種類の受容体で始まり、脳の同じ部分に送られる他の信号はそうではありません。おそらく、背中の中央上部に由来する神経から発せられる信号は、身体の他の場所に由来する神経から腕傍核の特有の領域に伝播するのではないかとギンティ氏は述べた。もう一つの可能性として、背中上部からの信号が脳に到達する前に脊髄内で何らかの形で増幅される可能性があると同氏は述べた。
ギンティさんは犬好きだが、この作品は犬への感謝からではなく、偶然から始まったという。当時ギンティの研究室の大学院生だったダウェイ・チャンは、C-LTMRから始まる当時謎に満ちた経路を活性化するために光学ツールを使用していたが、そのたびにマウスが震えることに気づいた。チャンとギンティはその反応を見て、それが何であるかをすぐに理解しました。
「今は、脳と身体の生理学、つまり身体が脳の中でどのように表現され、脳が身体の器官系をどのように制御しているかを理解するのに非常に刺激的な時期です」とギンティ氏は語った。 「オンラインで提供される新しいツールの中には、こうした回路を解明するのに非常に強力なものもあります。」