神経細胞は、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る電気インパルスを介して相互に通信している。今回、MITの神経科学者らは、他の哺乳類の神経細胞と比較して、ヒトの神経細胞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という驚くべき新事実を発見した。研究者らは、このチャネル密度の低下により、ヒトの脳がより効率的に機能するように進化し、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型プロセスに資源を振り向けることができるようになったのではないかと考えている。
「脳がイオンチャネルの密度を減らすことでエネルギーを節約できれば、そのエネルギーを他の神経細胞や回路のプロセスに費やすことができる」と、MITのマクガバン脳研究所に所属する脳・認知科学准教授で、本研究の上席著者であるMark Harnett博士は述べている。2021年11月10日にNatureのオンライン版に掲載されたこの論文は、「哺乳類大脳皮質第5層ニューロン生物物理学のアロメトリックルール（Allometric Rules for Mammalian Cortical Layer 5 Neuron Biophysics）」と題されている。
Harnett博士らは、10種類の哺乳類の神経細胞を分析し、この種の研究では最も大規模な電気生理学的研究を行い、ヒトを除くすべての種に当てはまる「ビルディングプラン」を特定した。その結果、神経細胞のサイズが大きくなるにつれて、神経細胞内に存在するチャネルの密度も高くなることがわかった。
しかし、ヒトの神経細胞は、この法則の顕著な例外であることがわかった。
本研究の筆頭著者である元MIT大学院生のLou Beaulieu-Laroche博士は、「これまでの比較研究で、ヒトの脳は他の哺乳類の脳と同じように構築されていることがわかっていたので、ヒトの神経細胞が特別であるという強い証拠を見つけたことに驚いた」と語った。
構築計画
哺乳類の脳にある神経細胞は、他の何千もの細胞から電気信号を受け取ることができ、その入力によって、神経細胞が活動電位と呼ばれる電気インパルスを発するかどうかが決まる。2018年、Harnett博士とBeaulieu-Laroche氏は、ヒトとラットの神経細胞では、主に樹状突起（他の細胞からの入力を受けて処理する木のようなアンテナ）と呼ばれる部分で、電気的特性の一部が異なることを発見した。
その結果、ヒトの神経細胞はラットの神経細胞に比べてイオンチャネルの密度が低いことがわかった。一般に、イオンチャネルの密度は種を超えて一定であると考えられていたため、研究者らはこの観察結果に驚いた。
今回の研究で、Harnett博士とBeaulieu-Laroche氏は、複数の異なる哺乳類種の神経細胞を比較して、イオンチャネルの発現を支配するパターンがないかどうかを調べることにした。研究チームは、大脳皮質に存在する興奮性ニューロンの一種である第5層錐体細胞を対象に、2種類の電位依存性カリウムチャネルと、カリウムとナトリウムの両方を伝導するHCNチャネルを調べた。
研究チームは、10種類の哺乳類から脳組織を採取することができた。また、てんかん患者の脳手術の際に採取したヒトの組織も使用した。これにより、哺乳類全体の皮質の厚さやニューロンの大きさを網羅することができた。
その結果、ほぼすべての哺乳類で、神経細胞のサイズが大きくなるにつれて、イオンチャネルの密度が高くなることがわかった。このパターンの唯一の例外は、ヒトの神経細胞で、イオンチャネルの密度は予想よりもずっと低かった。
イオンチャネルの数が多ければ多いほど、イオンを細胞に出し入れするために必要なエネルギーも多くなるからだと、Harnett博士は言う。しかし、大脳皮質の体積全体に占めるチャネルの数を考えてみると、その意味がわかってきたという。
非常に小さな神経細胞が密集しているエゾジネズミの小さな脳では、一定の体積の組織に含まれる神経細胞の数が、はるかに大きな神経細胞をもつウサギの脳の同じ体積の組織に含まれる神経細胞の数よりも多い。しかし、ウサギの神経細胞のほうがイオンチャネルの密度が高いため、組織の一定体積内のチャネル密度は、両種、あるいは研究者が分析したヒト以外のどの種でも同じである。
Harnett博士は、「この構築プランは、9種類の異なる哺乳類で一貫している。大脳皮質がやろうとしていることは、単位体積あたりのイオンチャネルの数を、すべての種で同じにすることだ。つまり、大脳皮質の体積が一定であれば、少なくともイオンチャネルについてはエネルギーコストが同じということだ。」と語った。
エネルギー効率
しかし、ヒトの脳は、この建築計画から著しく逸脱していた。研究チームは、イオンチャネルの密度が高くなるのではなく、一定体積の脳組織に対して予想されるイオンチャネルの密度が劇的に減少していることを発見した。
研究チームは、この密度の低下は、イオンの送出に費やすエネルギーを減らすために進化したのではないかと考えている。そうすれば、脳はそのエネルギーを、ニューロン間のより複雑なシナプス結合の形成や活動電位の高速発射など、別のことに使うことができる。
「ヒトは、大脳皮質の大きさを制限していたこの構築計画から進化し、エネルギー効率を高める方法を見つけ出したと考えている。つまり、他の種と比べて、体積あたりのATP消費量が少なくなるのだ」とHarnett博士は言う。
今後は、この余分なエネルギーがどこに使われているのか、また、ヒトの大脳皮質の神経細胞がこのような高効率を達成するのに役立つ特定の遺伝子変異があるかどうかを研究したいと考えている。また、ヒトに近縁の霊長類でも、イオンチャネル密度の低下が同様に見られるかどうかを調べたいと考えているという。
著者紹介
Nature誌の新論文の著者は、Harnett博士とBeaulieu-Laroche氏の他に、MIT技術アソシエイトのNorma Brown氏、元ポストバカロレア奨学生のMarissa Hansen氏、MITとハーバード・メディカル・スクールの大学院生Enrique Toloza氏、MIT研究員のJitendra Sharma氏、ハーバード・メディカル・スクール脳神経外科准教授のZiv Williams博士、ハーバード・メディカル・スクール病理学・健康科学技術学准教授のMatthew Frosch 博士、ブリガム・アンド・ウィメンズ病院てんかん・機能神経外科ディレクターのガース・リース・コスグローブ、ハーバード・メディカル・スクールおよびマサチューセッツ総合病院神経科助教授のSydney Cash 博士である。
