光遺伝学

光遺伝学: 神経回路を解明する革新的な技術

光遺伝学（ひかりいでんがく、英: optogenetics）は、光を使ってタンパク質を操作する手法を指します。この技術は光学と遺伝学を組み合わせたもので、特に神経回路の機能を調査するために開発されました。哺乳類を含む様々な動物の脳神経系における情報処理を解明するために用いられ、ミリ秒単位の高精度な制御が可能です。

光遺伝学という術語は2006年に初めて登場しました。具体的には、チャネルロドプシン2やハロロドプシンなどの光活性化イオンチャネルを遺伝子工学を用いて特定のニューロンに発現させ、特定の波長の光を照射することで、対象のニューロンを興奮または抑制する方法です。このアプローチにより、神経活動の動的な操作が実現されました。

光遺伝学の適用範囲は急速に広がっています。例えば2009年にはKlaus Hahnがphototropinを活用したPA-Racという低分子量G蛋白質を報告しました。また、Neuroscience 2009では、PA-RhoAやPA-Cdc42なども発表されました。同年、スタンフォード大学のカール・ダイセロス博士によって開発された新しい光遺伝学ツールは、チャネルロドプシン2をGPCRと融合させたもので、光刺激によってcAMPやIP3、DAGなどのセカンドメッセンジャーの生成を局所的に制御できるようになりました。これにより、神経回路の振る舞いをさらに詳細に研究する手段が提供されました。

この技術は、2010年にはネイチャーメソッドにより「メソッド・オブ・ザ・イヤー」に選ばれるなど、その重要性が広く認められています。神経科学における応用としては、膜電位を測定する膜電位イメージングと組み合わせられ、従来の電気生理学的手法に変わる「光学的電気生理学」としても利用されています。これにより、神経の電気的特性を明らかにする新たなツールが誕生しました。

光遺伝学を支える光学的ハードウェア

光遺伝学の実施には、特定の細胞を脳の深部からでも制御できるようにするためのハードウェアが欠かせません。これは、統合された光ファイバーや固体光源などから構成されることが一般的です。特に、2007年には光ファイバー結合ダイオードの技術が導入され、ニューロンへの光の届け方が革命的に進化しました。さらに、透明なジルコニアの「窓」を用いることで、埋め込み電極を使用せずに個々のニューロンを刺激または阻害可能な方法も開発されています。

動物の脳表面を刺激する際には、光ファイバーやLEDが頭蓋骨に直接取り付けられます。また、より深部に光を届けるためには、光ファイバーを深く埋め込むことが行われます。最近では、自由に行動する生物がその行動を妨げられずに研究を行えるように、ポータブルLEDへの無線電力供給技術も開発されています。

最新の進展

よく注目されているのは、有機LED（OLED）の使用によるオプトジェネティクスの新たなアプローチです。この技術により、微生物由来のオプシンを発現するニューロンをミリ秒単位で精密に刺激することが、In vitroで実証されています。また、パルスモードでの操作により、低温環境での神経刺激も可能になりました。有機ELは厚さが1μm以下と非常に薄く、脳に埋め込むのに適しているため、さらに進化した光遺伝学の研究が期待されています。

光遺伝学の進展は、神経科学の理解を深め、新たな治療法の開発にも寄与する可能性が高いです。今後もこの分野の研究がますます進展することは間違いありません。

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