脳の中の「2種類の橋」 — 化学シナプスと電気シナプス
人間の脳には、約860億個と見積もられることが多い神経細胞(ニューロン)が、ぎっしりと詰まっています。
これらの細胞は、お互いに信号をやり取りすることで、私たちが「見る」「考える」「感じる」といった働きを生み出しています。
このとき、信号の受け渡し場所にあたる場所のことを「シナプス」と呼びます。
実はこのシナプス、2種類あることが分かっています。
ひとつめは化学シナプスで、いわば郵便配達のような仕組みです。
送り手側の細胞が「神経伝達物質」と呼ばれる小さな分子を作って、隣の細胞に向けて放り投げ、受け手側の細胞がそれを受け取ります。
哺乳類の脳ではこの方式が主役であり、中学校の教科書に書かれているシナプスもこのタイプのものです。
ふたつめが、今回のお話の主役となる電気シナプスです。
こちらは郵便配達ではありません。
隣同士の細胞が接触している場所に短いトンネルが通っていて、その中をイオン(電気を帯びた小さな粒)がそのまま流れていくというものです。
細胞同士がチクワのような筒を出し合ってキスをして、お互いの内部のイオンを直接やり取りしているような、極めて直結度の高い信号伝達です。
哺乳類の脳のシナプスは、圧倒的多数が化学シナプスで占められています。
ただ電気シナプスは数の上では少数派なものの、大脳皮質、海馬、視床、網膜など脳の多くの領域に分布しており、特に複数の細胞が一斉に同じリズムで動く必要がある場面で、欠かせない役割を果たしています。
しかし、このような「直結型」の通路を人工的に作るのは、長年とても困難でした。
細い導線を細胞に貫通させて刺せば良さそうですが、実はそれでは上手くいきません。
導線の中を通るのは電子ですが、電気シナプスのトンネルの中を通るのはナトリウムやカリウムなどのイオンで、それらの通過が電気的な信号となります。
「電子でもイオンでも電荷が流れるならなんでもいい」というほど、私たちの神経はガバガバではないのです。
そしてこの仕組みを機能させるには、細胞を結ぶチクワ状のトンネルを作らなければなりません。
トンネルを開通させるには、こちら側のチクワだけでなく、向こう側の細胞にも同じチクワ構造があり、両者が密着する必要があります。
片側だけを無理矢理差し込めれば話は早いのですが、それを許せば、本来繋がるべきでない細胞にもどんどんトンネルが開通してしまう。
だからこそ、両側にチクワが揃って初めて成立する、という慎重な設計になっているのです。
生物の体内では、このチクワはコネキシンというタンパク質を組み合わせて作られています。
問題はここからです。
多くのコネキシンは、同じ種類同士でもくっ付く性質があります。
隣接する細胞をスムーズに繋ぐにはこれで十分なのですが、研究者がやりたいのは「ここの細胞と、ここの細胞だけを繋ぎたい」というピンポイント接続です。
過去には、線虫のような単純な生物でこのピンポイント接続に成功した事例があります。
線虫の脳にはコネキシンを作る遺伝子そのものが備わっていないため、外から持ち込んだコネキシンが他のコネキシンと混線する心配がなかったのです。
ところがマウスの脳ではそうはいきません。
神経細胞は約7100万個もあり、線虫の23万倍。
しかも哺乳類の脳には、もともと21種類ものコネキシンが存在し、あちこちで電気シナプスを作っています。
ここに外から新しいコネキシンを足すと、「自分同士で勝手にくっつく」だけでなく「もとからある哺乳類自身のコネキシンとも勝手にくっつく」という、二重の干渉が起きてしまうのです。
研究を率いたカフイ・ジラサ博士は、こう振り返っています。
「神経科学は数十年にわたり、特定の細胞間のコミュニケーションを正確に制御できるツールを欠いていました」
同じ種類の細胞がそこら中に並んでいる脳の中で、ピンポイントで狙った2つだけを繋ぐ。
これが、長年解けないままになっていた難問でした。
