ミシガン大学率いる国際チームは、脳のどの領域が一日を通して活動していたのかを単一細胞の解像度で明らかにする新しい手法を導入した。
研究者らは、マウスモデルを使用して、脳内のどのニューロンとネットワークが異なる時間に活動しているかを追跡するための実験プロトコルと計算分析を開発した。学術誌「PLOS Biology」に掲載されたこの研究は、睡眠時と覚醒時の脳の信号伝達に関する新たな洞察を提供し、研究の動機となったより大きな疑問と目標を示唆している。
私たちは疲労を理解するためにこの困難な研究に取り組みました。私たちは起きている間、一日を通して脳に重大な変化が見られますが、眠りにつくにつれてそれらは修正されるようです。」
ダニエル・フォージャー、UM 数学教授、主任著者
研究チームが何を発見し、どのように発見したかは、人間の疲労を客観的に評価する新しい方法につながる可能性がある。これらは、パイロットや外科医など、一か八かの責任を負う人々が飛行や手術を開始する前に十分な休息を確実にとれるようにするためにも利用できる可能性があります。
「実際、私たちは自分自身の疲労を判断するのが苦手です。それは主観的な疲労に基づいています」とフォージャー氏は言う。 「私たちの希望は、人々が特に疲労しているかどうか、安全に仕事ができるかどうかを知らせる『サイン』を開発できることです。」
この研究は、米国国立科学財団と米国陸軍研究局からの連邦資金によって支援されました。また、ヒューマンフロンティアサイエンスプログラム（HFSP）からも資金提供を受けており、国際協力を通じて生命科学における先駆的な研究を可能にしており、これがこの研究の鍵となっている。
よりグローバルな視点
UM の研究者がデータを分析および解釈するための数学的および計算的ワークフローを作成する一方で、日本とスイスの共同研究者は強力な新しい実験的アプローチを開発していました。
彼らは、ライトシート顕微鏡法と呼ばれる最先端のイメージング形式を活用し、マウスの脳の 3D 画像を生成することができました。彼らはまた、顕微鏡下で活性化したニューロンを輝かせる遺伝的タグ付け法を導入し、研究者が脳全体でどの細胞がいつ活動しているかを観察できるようにした。
「過去20～30年にわたる研究から、ある側面、たとえば遺伝子やニューロンの種類がどのように行動に寄与するかを解読する方法が分かっている」と研究共著者でチューリッヒ大学人間睡眠精神薬理研究所の上級研究員であるコンスタンティノス・コンポティス氏は語った。 「しかし、私たちの行動を支配しているものは何であれ、それは単なる 1 つの遺伝子、1 つのニューロン、または脳内の 1 つの構造ではないこともわかっています。それはすべてであり、特定の時点でそれらがどのように接続され、相互作用するかです。」
HSFP は、これらのつながりと交流をより深く調査するために、3 か国のチームを集めました。これには、UMチーム、チューリッヒチーム、そして理化学研究所生命機能科学研究センター合成生物学研究室の上田博樹氏が率いる日本チームが含まれていた。
研究チームは協力して、一般的にマウスが目覚めると脳の内層、つまり皮質下の層で活動が始まることを確認した。マウスが昼夜を問わず活動を続けるにつれて、むしろ（彼らは夜行性である）活動の中心が脳の表面にある皮質に移動した。
「脳は、一日を通して、または特定の行動中に、その活動の程度を変えるだけではありません」とコンポスティス氏は言う。 「実際には、都市の道路が異なる時間に異なる交通ネットワークにサービスを提供するのと同じように、どのネットワークまたは通信地域が担当するかを再編成します。」
この発見とその発見方法は、疲労などの兆候を特定するための基礎的なステップを提供するとフォージャー氏は述べた。たとえば、この一般的なパターンをさらに調査すると、精神的健康との関連性が得られるのではないかと彼は考えています。
「この研究ではその点には触れていない」とフォージャー氏は語った。 「しかし、私たちがさまざまな地域で見た活動は、特定の精神疾患を理解する上で重要になるだろうと私は考えています。」
さらに、コンポティス社はすでに産業界のパートナーと協力し、チームの実験技術を利用して、さまざまな治療法や薬剤候補が脳活動にどのような影響を与えるかを調査し始めている。
新しい実験技術は人間には適用できないが、研究者はマウスモデルから得られた特定の発見を人間の生理学に応用できるとフォージャー氏は述べた。そして、この研究のために開発された計算アプローチは一般化可能である、と共著者のGuanhua Sun氏は述べた。 Sun は、UM の博士課程の学生としてこのプロジェクトに取り組み、現在はニューヨーク大学の Courant 講師を務めています。
「この問題の背後にある数学は実際には非常に単純です」とサン氏は語った。
この単純な計算により、チームは新しいデータをマウスの脳上の既存のデータセットと組み合わせることができました。サン氏によると、課題は、そのデータをどのように組み合わせるかが、生物学と神経学と矛盾しない方法で行われるようにすることであったという。この基準が支持される限り、研究チームのコンピュータによるアプローチは、EEG、PET、MRIスキャンから収集した人間のデータに適用できる可能性があると同氏は述べた。
「人間の脳の活動を検出する方法は、私たちの研究で得られたものよりも粗いです」とサン氏は述べた。 「しかし、この論文で紹介した方法は、人間のデータに適用できるように修正できます。たとえば、アルツハイマー病やパーキンソン病の研究に使用されている他の動物モデルにも応用できます。かなり応用可能だと思います。」
もっと個人的な話になるが、チームはこの研究を、プロジェクト中に飛行機事故で亡くなった同僚のスティーブン・ブラウンに捧げた。
「スティーブは完璧な協力者だった」とフォージャー氏は語った。
ブラウン氏はこの新しい研究の上級共著者であり、チューリッヒ大学で時間生物学と睡眠研究の教授兼セクションリーダーを務めた。
「私たちは、ブレインストーミングにおいても、アイデアやコンセプトの橋渡しにおいても、科学研究において一人の人間がいかに重要であるかを学びました。スティーブはこのコラボレーションの中核的な要素でした」とコンポティス氏は語った。 「これが、私たちがこの物語を非常に誇りに思うもう一つの理由です。」
ソース：
参考雑誌:
1765389518
#研究により睡眠時と覚醒時の脳の信号伝達について新たな洞察が得られる
2025-12-10 17:37:00