脳のない胎児は生体電気が成長を導くことを示唆

小さなオタマジャクシの胚は豆粒ほどの大きさだった。生後1日で、まだ心臓さえもなかった。白衣と手袋を身につけた研究者が、胚のそばをうろうろしながら、頭部が形成される部分に精密な外科的切開を施した。数瞬後、脳は消失したが、胚はまだ生きていた。

タフツ大学アレン・ディスカバリー・センターの神経科学博士研究員であるセリア・ヘレラ＝リンコンは、この短い検査のために、マドリード近郊の山中にある、育ったスペインの田舎の家に帰ってきました。11歳の時、森で犬の散歩をしていた時に、クサリヘビ（Vipera latastei）を見つけました。それは美しい姿でしたが、死んでいました。「頭の中がどうなっているのか見てみたいと思ったのです」と彼女は振り返ります。彼女は包丁とピンセットを使って最初の「実験室検査」を行い、それ以来、脳の多様な形状と進化形態に魅了されてきました。彼女のコレクションには現在、様々な生物の脳が約1,000個収蔵されています。

しかし今回、彼女が興味を持ったのは脳そのものではなく、アフリカツメガエルが脳なしでどのように発達するかだった。彼女と、指導教官でソフトウェアエンジニアから発生生物学者に転身したマイケル・レビンは、脳と神経系が、発達する器官、四肢、その他の構造物の形状と特性を決定するパターンを形成する上で重要な役割を果たしているかどうかを研究している。

過去65年間、発生生物学は生物学的情報の担い手としてのDNAに焦点を当ててきました。研究者たちは、遺伝子発現パターンだけで胚発生を決定できると一般的に考えてきました。

しかし、レビン氏にとって、その説明は納得のいくものではない。「形はどこから来るのか？ ゾウとヘビの違いはどこにあるのだろうか？」と彼は問いかけた。DNAは細胞内でタンパク質を作ることはできるが、「ゲノムの中に解剖学的構造を直接規定するものは何もない」と彼は言う。組織が適切に発達するためには、胚内の他の情報源から得られる空間的な手がかりが必要だと彼は主張する。彼と彼のチームは、その手がかりの少なくとも一部は電気的なものだと信じている。

近年、レビン研究室はオタマジャクシなどの単純な生物を研究することで、胚が生体電気信号、特に機能的な器官となるずっと前の若い脳から発せられる信号によって形成されるという証拠を蓄積してきました。これらの結果が他の生物でも再現されれば、発生における電気現象と神経系の役割、そしておそらく生物学全体における理解を大きく変える可能性があります。

「レビン氏の研究結果は、この分野における一部の頑固な定説を揺るがすだろう」と、システム生物学研究所の分子生物学者、スイ・ファン氏は述べた。レビン氏の研究が正しいとすれば、「体制の構築が細胞の局所的な制御によるものではなく、脳によって中枢的に統制されているという事実に、多くの発生生物学者が驚愕するだろう」とファン氏は続けた。

発達における生体電気的影響

スペインの神経科学者でノーベル賞受賞者のサンティアゴ・ラモン・イ・カハールはかつて、脳とニューロン（神経信号を処理・伝達する電気的に活性な細胞）を「魂の蝶」と呼んだ。脳は情報処理、記憶、意思決定、行動の中心であり、電気はこれらすべての活動に関わっている。

しかし、生体電気シグナル伝達を利用しているのは脳だけではありません。体全体で利用されています。すべての細胞膜には、イオンチャネル、つまり荷電分子またはイオンの経路として機能するタンパク質の細孔が埋め込まれています。細胞内外のイオン数の差により、電気勾配、つまり細胞の静止電位が生じます。イオンチャネルを開いたり遮断したりしてこの電位を変化させると、周囲の細胞間で送受信されるシグナルが変わります。ニューロンも同様の機能を果たしますが、さらに高速です。ニューロン同士の通信には、電圧スパイクに反応してシナプスで放出される神経伝達物質と呼ばれる分子を使用し、軸索に沿って長距離にわたって超高速の電気パルスを送信して、パルスのパターンに情報をエンコードし、筋肉の活動を制御します。

レビンは1980年代半ば、ボストン近郊の高校生で、小遣い稼ぎにソフトウェアを書いていた頃から、ニューロンネットワークのハッキングについて考えてきた。ある日、バンクーバー万博の会場で父親と小さな書店をぶらぶらしていた時、ロバート・O・ベッカーとゲイリー・セルデン共著の『 The Body Electric』という本を見つけた。レビンは、1780年代にルイジ・ガルヴァーニが神経が「動物電気」と呼ばれる電気によって動かされていることを発見して以来、科学者たちが何世紀にもわたって生体電気を研究してきたことを知った。

しかし、レヴィンはこのテーマについて調べていくうちに、脳が情報処理に電気を用いているにもかかわらず、身体の発達に関する情報伝達における生体電気の役割を真剣に研究している人は誰もいないことに気づいた。「神経系や脳が進化する以前の組織がどのように情報処理し、何を『考えていた』のか」を理解できたら素晴らしいと思いませんか？と彼は考えた。

彼はさらに深く探求し、最終的にハーバード大学で形態形成論、つまり生物の形状形成の研究で生物学の博士号を取得しました。彼は、神経の活動電位を発見した19世紀のドイツ人医師、エミール・デュ・ボワ＝レーモンのような科学者の伝統を受け継いで研究を進めました。1930年代から40年代にかけて、アメリカの生物学者ハロルド・バーとエルマー・ルンドは、様々な生物の胚発生中の電気的特性を測定し、生体電気と動物の形状との関連性を研究しました。彼らは関連性を証明することはできませんでしたが、正しい方向に進んでいたとレビンは述べています。

遺伝子が支配する以前

バーとルンドの研究は、発生学への関心が高まっていた時代に行われました。エニグマ暗号を解読したことで有名なイギリスの数学者アラン・チューリングでさえ、発生学に魅了されていました。1952年、彼は色素斑やシマウマの縞模様といった体の模様は、拡散する物質（彼はこれをモルフォゲンと呼びました）の化学反応によって生じるという論文を発表しました。

しかし、モルフォゲンや生体電気といった有機的な説明は、長く脚光を浴び続けることはなかった。1953年、ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックがDNAの二重らせん構造を発表し、それ以来数十年にわたり「発生生物学の焦点は、生物学的情報の担い手としてのDNAに移り、細胞は周囲の環境や近隣の細胞からの合図を受けて、独自の内部遺伝プログラムを実行すると考えられてきた」と黄氏は述べた。

パルス・バイオサイエンスの最高科学責任者であり、カリフォルニア大学デービス校の元分子生物学教授であるリチャード・ヌッチテリ氏によると、その根拠は「DNAは遺伝するものなので、遺伝子に保存された情報は発達に必要なすべてのことを規定しているはずだ」というものでした。組織は隣接する組織から局所レベルでどのように発達するかを指示され、各領域は細胞のゲノム情報に基づいて自らのパターンを形成すると考えられていました。

この考え方の極端な形は、「すべてを『遺伝子、つまりDNAの中にある』と言って説明することです。この傾向は、ますます強力で手頃な価格になったDNAシーケンシング技術によってさらに強まっています」と黄氏は述べた。「しかし、私たちは視野を広く持つ必要があります。分子生物学が私たちに近視眼的なトンネルビジョンを押し付ける以前、生物学者は生物レベルの原理に対してはるかにオープンでした。」

ヘレラ＝リンコン氏らによると、今、潮目は変わりつつあるようだ。「ゲノムを生物学的情報の唯一の情報源と考えるのはあまりにも単純すぎる」と彼女は述べた。研究者たちは、例えば神経系における発生情報の源として、モルフォゲンの研究を続けている。昨年11月、レビン氏と、生物学、物理学、コンピューティングが重なり合う分野で研究を行う独立科学者のクリス・フィールズ氏は、細胞の細胞質、細胞骨格、そして内膜と外膜も重要なパターン形成データをコードしており、DNAと並んで遺伝のシステムとして機能していると主張する論文を発表した。

そして、決定的に重要なのは、生体電気もまた復活を遂げたことです。1980年代から90年代にかけて、ヌッチテリは海洋生物学研究所の故ライオネル・ジャッフェ、アバディーン大学のコリン・マッケイグらと共に、印加電界を用いて多くの細胞が生体電気信号に敏感であること、そして電気が再生能力のない種において四肢再生を誘発できることを示しました。

国際医療福祉大学の山下正之氏によると、多くの研究者は、ニューロンだけでなく、あらゆる生細胞が細胞膜を介して電位を生成していることを忘れているという。「この電気信号は細胞間コミュニケーションのための環境シグナルとして機能し、形態形成と再生における細胞の行動を調整します」と山下氏は述べた。

しかし、この生体電気シグナルがなぜ、どのように機能するのかは誰も完全には解明していなかったとレビン氏は述べ、ほとんどの人は依然として情報の流れは非常に局所的だと考えている。「以前の実験では、電気を印加すると細胞内の何かと直接相互作用し、反応を引き起こしていました」と彼は述べた。しかし、何と相互作用し、どのように反応が引き起こされるのかは謎だった。

これが、レビンと彼の同僚たちが細胞の静止電位をいじくり回し始めたきっかけです。彼らはここ数年、扁形動物の細胞の電圧を変化させることで、頭が2つある動物や、思いもよらない場所に尾を持つ動物を作り出しました。オタマジャクシでは、臓器全体レベルで大規模な細胞群の特性を再プログラムし、足が2本あるカエルを作ったり、腸組織を目に変化させたりしました。これは、パターン形成情報を提供する局所的な生体電気活動をハッキングするだけで実現しました。

脳と神経系は電気的に非常に活発に活動していることから、研究者たちは、発達に影響を与える生体電気情報の長距離パターンへの関与についても調査し始めました。2015年、レビン氏とポスドクのヴァイブハブ・パイ氏、そして他の共同研究者たちは、体からの生体電気信号が脳の発達とパターン形成の初期段階に影響を与えることを実験的に示しました。彼らはオタマジャクシの頭部から遠く離れた腸管の細胞の静止電位を変化させることで、脳発達の「青写真」を乱したようです。その結果、オタマジャクシの脳は小さくなり、あるいは全く存在しなくなり、脳組織は本来あるべきでない場所で成長しました。

これまでの電気刺激を用いた実験では、細胞に方向を示すだけのものでしたが、「今回の研究では、何を改変したか（静止電位）と、それがどのように反応を引き起こすか（小さなシグナル分子が細胞に出入りする方法を変えること）を知っています」とレビン氏は言います。適切な電位を与えることで、神経伝達物質は膜内の電圧駆動ゲート（トランスポーター）に出入りできるようになります。一旦入り込んだ神経伝達物質は特定の受容体を刺激し、さらなる細胞活動を開始することができます。これにより、研究者は臓器全体のレベルでアイデンティティを再プログラムすることが可能になります。

この研究は、神経伝達物質セロトニンを介して生体電気が長距離でも作用することを示したとレビン氏は述べた。（その後の実験では、神経伝達物質酪酸も関与していることが示唆された。）研究者たちは脳に近い細胞の電圧を変化させることから始めたが、その後、より遠くの細胞にも変化を及ぼすようになった。「先行研究のデータから、腫瘍は非常に遠く離れた細胞の電気的特性によって制御できることが示されていたからです」とレビン氏は述べた。「遠く離れた細胞も脳の発達に影響を与えることを示しました。」

そこでレビンと同僚たちは、実験を逆転させることに決めた。脳は、完全な設計図ではないとしても、少なくとも体の他の部分のパターン形成に関する情報を保持しているのではないか、とレビンは問いかけた。もしそうだとしたら、神経系は体の成長の初期段階で、この情報を生体電気的に伝達しているのではないか、と。彼はヘレラ＝リンコンにメスを準備するよう頼んだ。

失われた脳を補う

ヘレラ＝リンコンが研究した脳のないアフリカツメガエルのオタマジャクシは成長したが、わずか数日のうちに、非常に特徴的な欠陥が全て現れた。しかも、脳の近くだけでなく、尾の先端まで及んでいた。筋線維も短くなり、神経系、特に末梢神経は無秩序に成長していた。運動能力を阻害する神経系の異常が、発達中の身体に影響を与えることは驚くべきことではない。しかし、レビン氏によると、実験で観察された変化は、神経系が完全に発達するずっと前から、そして何らかの運動が始まるずっと前から、脳が身体の発達を形作っていることを示しているという。

南カリフォルニア大学の神経科学者、ジル・カルバリョ氏は、オタマジャクシの発生初期にこのような欠陥が見られることは興味深いと述べた。「もちろん、神経系と体との活発な対話は、発生後に非常に顕著に見られるものです」と彼は述べた。しかし、今回の新たなデータは「この相互作用がまさに初期から始まっていることを示しています。これは、私たちが知るほとんどの脊椎動物の生命活動の中心である脳と体との対話の始まりを垣間見ることができる窓であり、実に素晴らしいものです」。また、今回の結果は、これらの神経伝達物質が細胞の電圧変化によって引き起こされた後、細胞外空間を拡散したり、細胞から細胞へとリレー方式で移動したりすることで、遠隔作用している可能性も示唆していると、彼は付け加えた。

ヘレラ＝リンコンとチームの他のメンバーは、そこで止まりませんでした。彼らは、生体電気を用いて脳の作用を模倣することで、発達中の身体をこれらの欠陥から「救う」ことができるかどうかを検証したかったのです。彼らは、HCN2と呼ばれる特定のイオンチャネルを発現させることに決めました。このチャネルは細胞によって異なる働きをしますが、細胞の静止電位には敏感です。レビンは、このイオンチャネルの効果を写真編集ソフトのシャープニングフィルターに例え、「隣接する組織間の電位差を強めることで、正しい境界を維持するのに役立ちます。胚が組織が本来あるべき場所に正しい境界を設定する能力を、まさに強化するのです」と述べています。

胚にHCN2を発現させるため、研究者らは受精後わずか数時間のカエルの卵細胞にHCN2のメッセンジャーRNAを注入した。翌日、胚の脳を摘出すると、数日後に胚細胞は膜中のHCN2から新たな電気活動を獲得した。

科学者たちは、この処置によって脳を失ったオタマジャクシが、一般的な障害のほとんどから救われたことを発見した。HCN2のおかげで、あたかも脳がまだ存在し、体に正常な発達の仕方を指示しているかのようだった。「このチャネルをごく単純に発現させるだけで、これほど多くの救済が得られるとは驚きでした」とレビン氏は述べた。また、これは脳が生体電気刺激を介して胚の発達を制御していることを示す、初めての明確な証拠でもあると彼は付け加えた。

レビン博士によるこれまでの生体電気と再生に関する実験と同様に、多くの生物学者や神経科学者が今回の発見を「斬新」で「斬新」だと称賛した。「この研究は従来の研究方法から逸脱しているため、真の前進とは言えません」と黄氏は述べた。しかし、オタマジャクシの脳を使った単一の実験だけでは不十分だと黄氏は付け加えた。今回の発見が「分野における進歩と一般性を確立する」ためには、哺乳類を含む他の生物で実験を繰り返すことが不可欠だ。それでもなお、今回の結果は「全く新しい研究領域と新しい思考方法」を切り開くものだと黄氏は述べた。

レビン氏の研究は、神経系が生物の自己構築において、これまで考えられていたよりもはるかに重要な役割を果たしていることを示していると、カリフォルニア大学デービス校の生物学者で、生体組織における電界効果の生物医学的応用と分子生物物理学の専門家であるミン・ジャオ氏は述べた。これまでの実験的および臨床的証拠にもかかわらず、「この論文は、発生中の胚においてもこれが起こっていることを説得力を持って実証した初めての論文です」。

「マイクの研究室の成果は、中枢神経系からの電気シグナルが初期発達を形作ることを実証することで、研究の限界を打ち破りました」と、CNRSヴァルローズ生物学研究所のオリヴィエ・ソリアーニ氏は述べています。「生体電気活動は、臓器のパターン形成を符号化する新しいタイプの入力として捉えられるようになり、中枢神経系からの広範囲な制御が可能になります。」

カルヴァリョ氏は、この研究が発達奇形や先天異常の治療と予防に明らかな影響を与えると指摘した。特に、単一の神経伝達物質の機能を阻害するだけで発達障害を予防できる場合があることを示唆する知見である。「これは、これらの欠陥に対する治療法が、少なくとも一部のケースでは、予想よりも単純である可能性を示唆しています」と彼は述べた。

レビン氏は、将来的には、多数の細胞シグナル伝達イベントを細かく管理する必要はなくなり、代わりに、細胞同士が電気的に通信する方法を操作して、さまざまな問題を解決できるようになるかもしれないと推測しています。

最近の別の実験は、発達中の脳の生体電気信号がいかに重要であるかを示唆しました。ヘレラ＝リンコン氏は、通常は無害な一般的な薬剤にカエルの胚を浸し、脳を摘出しました。薬剤を投与された脳のない胚は、尾や脊髄の曲がるなど、重度の先天異常を発症しました。レビン氏によると、これらの結果は、脳が、本来であれば危険な催奇形性物質（先天異常を引き起こす化合物）となる可能性のある薬剤から発達中の体を守っていることを示しているとのことです。「催奇形性物質に関する従来の考え方は、それぞれの化学物質が催奇形性物質であるかそうでないかのどちらかでした」とレビン氏は述べました。「今では、これが脳の働き方によって決まることが分かっています。」

これらの発見は印象深いものだが、多くの疑問が残ると、ハーバード大学で細菌の生体電気シグナル伝達を研究する生物物理学者アダム・コーエン氏は述べた。「正常な状態、つまり脳が損傷を受けていない状態において、脳が発達パターン形成にどのように影響を与えているのかは、まだ正確には解明されていません。」これらの答えを得るためには、研究者はより的を絞った実験を設計する必要がある。例えば、脳内の特定のニューロンを沈黙させたり、発達過程における特定の神経伝達物質の放出を阻害したりすることが考えられる。

レビン氏の研究は認知度を高めつつあるものの、発生における電気の重要性は、まだ広く受け入れられているとは言えない。エピジェネティクスと生体電気は重要だが、生物学の他の層も重要だと趙氏は述べた。「これらが相互に作用し合って、私たちが目にする生物学が生み出されているのです。」パラダイムシフトを起こすには、さらなる証拠が必要だと趙氏は付け加えた。「この生体電気分野では、驚くべき、そして衝撃的な結果が得られましたが、その根本的なメカニズムはまだ完全には解明されていません。まだそこまでには至っていないと思います。」

しかしヌッチテリ氏は、多くの生物学者にとって、レビン氏の研究は重要な点を突いていると指摘する。例えば、オタマジャクシの局所組織を通るイオンの流れを変えるだけで、本来あるべき位置にない眼の成長を誘導することに成功したレビン氏の研究は、「生物物理学がパターン形成を制御する力を持っていることを示す驚くべき実証だ」とヌッチテリ氏は述べた。レビン氏の300本以上の論文が科学文献で数多く引用されていること（約8,000件の論文で10,000回以上）も、「彼の研究が大きな変化をもたらしていることを示す大きな指標だ」とヌッチテリ氏は述べた。

インディアナ大学-パデュー大学インディアナポリス校の発生生物学者で名誉学部長のデイビッド・ストカム氏は、時間の経過とレビン氏の研究を引き継ぐ人々の努力が、彼の研究の進展を後押しするだろうと示唆した。「私の見解では、彼の考えは最終的に正しいことが証明され、発生生物学の枠組みの重要な一部として広く受け入れられるでしょう。」

「原理実証ができました」と、豆のような胚が詰まった別のペトリ皿の準備を終えたヘレラ＝リンコンは言った。「今は、その根底にあるメカニズム、特にその意味を理解することに取り組んでいます。脳特有の情報の内容は何か、そしてそれがどの程度の形態形成の指針となるのか、ということです」彼女はメスを洗い、手袋と白衣を脱いだ。「頭の中には無数の実験が浮かんでいます」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。