カロリンスカ研究所のノーベル会議は10月5日、2026年のノーベル生理学・医学賞をKarl Deisseroth、Peter Hegemann、Georg Nagelの3氏に授与すると発表した。受賞理由は「光で開くイオンチャネルと光遺伝学に関する発見」で、神経細胞の活動を光で操作する「光遺伝学」の基盤を築いた成果が評価された。
公式発表が評価したのは、特定の種類の神経細胞だけを光に反応させ、狙ったタイミングでその活動を変えられるようにした成果だ。脳活動と行動の関係を観察するだけでなく、特定の細胞を刺激すると何が起きるのかを直接確かめる手段が神経科学に加わった。
その後、光遺伝学は記憶の仕組みを調べる基礎研究から、視覚機能の回復を目指す研究へと広がってきた。ただし、それぞれの研究で実際に確かめられた対象と条件を分けて見ることで、この技術が何を可能にしてきたのかをより正確に理解できる。
Karl Deisserothは米スタンフォード大学とHoward Hughes Medical Institute、Peter Hegemannは独ベルリン・フンボルト大学、Georg Nagelは独ヴュルツブルク大学に所属する。今回の受賞は、すでに長年にわたって神経科学で利用されてきた技術の発見と発展を評価したものだ。
藻類のタンパク質が神経細胞のスイッチになった
出発点となったのは、単細胞の緑藻クラミドモナスが光に反応して泳ぐ仕組みだった。Peter Hegemannらが調べていたのは、光を受けた細胞に電流が生じる理由である。Georg Nagelらとの共同研究によって明らかになったチャネルロドプシンは、光を感知する機能と、イオンを通す機能を一つのタンパク質で兼ね備えていた。
2002年のチャネルロドプシン1の報告に続き、Georg Nagelらは2003年の査読済み論文でチャネルロドプシン2の性質を詳しく調べた。PNASに掲載された原著論文では、カエルの卵母細胞や哺乳類の培養細胞にこのタンパク質を作らせ、光を当てると陽イオンが細胞膜を通ることを電流として測定した。
藻類が本来持つ複雑な細胞内シグナル伝達の仕組みを丸ごと移さなくても、一つのタンパク質を導入するだけで、光によって開くイオンチャネルとして機能したのである。
チャネルロドプシン2に青色光を当てるとチャネルが開き、陽イオンが細胞内へ流れ込んで膜電位が変化する。神経細胞では、この変化によって活動電位と呼ばれる短い電気信号を発生させられる。
光を受けてから膜電位が変化するまでの過程が直接つながっているため、神経細胞が情報をやり取りするミリ秒単位の時間スケールで活動を制御できる。
ただし、このタンパク質だけで光を感知できるわけではない。光を吸収する「レチナール」という分子も必要になる。カエルの卵母細胞を使った実験では外部からレチナールを加えたが、その後の哺乳類の培養神経細胞では、細胞内にもともと存在する量で機能した。
新たに多数のシグナル伝達分子や補助物質を導入する必要がなかったことも、神経科学へ応用するうえで大きな利点となった。
2005年、Karl Deisserothの研究室にいたEdward Boyden、张锋らは、チャネルロドプシン2の遺伝子を培養神経細胞へ導入し、光によって神経細胞の発火をミリ秒単位で制御できることを示した。Nature Neuroscienceの論文には、Georg NagelとErnst Bambergも共著者として名を連ねている。
光を受ける分子の仕組みを解明する研究と、それを神経細胞の操作技術として利用する研究が、ここで結び付いた。
ただし、光遺伝学の歴史が今回の受賞者3人だけで完結するわけではない。ノーベル賞の科学解説では、Gero Miesenböckらが2002年に複数の分子を組み合わせて神経細胞を光に反応させた先行研究や、チャネルロドプシンを利用した別の研究グループによる実証も紹介している。
今回の賞は、多くの研究者によって発展してきた分野の中でも、光を直接受けて開くチャネルの発見と、それを神経科学の道具へ発展させた成果を評価したものと捉えられる。
「どの細胞を」「いつ」動かすかを選べる
光遺伝学の大きな強みは、光による高速な制御と、遺伝学的な手法による細胞選択を組み合わせられることにある。
同じ脳領域の中にも、異なる働きを担う神経細胞が混在している。脳領域全体を刺激した結果だけでは、その中のどの細胞群が特定の行動に関与していたのかを切り分けることが難しい。
光遺伝学では、特定の種類の細胞や、特定の神経回路に属する細胞だけに光感受性タンパク質を作らせることができる。そして光を当てるタイミングや時間を変えれば、行動の直前に活動させた場合と、行動中に活動させた場合などを比較できる。
どの細胞を操作するかを遺伝学的に選び、いつ操作するかを光で決める。 この二つを組み合わせられる点が、光遺伝学の特徴だ。
もちろん、光遺伝学が登場する以前にも神経活動と行動の因果関係を調べる方法は存在した。電気刺激なら高速な操作が可能で、脳の一部を損傷させる研究や薬理学的な介入も、脳の働きを調べるために使われてきた。
したがって、「光遺伝学以前は因果関係を調べられなかった」とするのは正確ではない。
光遺伝学が大きく向上させたのは、狙った細胞集団だけを選択する精度と、神経活動に対応できる高い時間精度を同時に実現したことである。
培養皿の中で機能する技術を、生きた動物の脳へ応用するには、光を脳内へ届ける仕組みも必要だった。
2007年の研究では、ウイルスを使って目的の遺伝子を神経細胞へ導入し、脳内へ設置した光ファイバーから光を照射することで、げっ歯類の運動皮質を刺激し、ヒゲの動きを測定した。
遺伝子導入や脳内への光ファイバーの設置を必要とする以上、この方法全体を「非侵襲的」と呼ぶことはできない。何も処置していない脳へ外から光を当てるだけで、任意の神経細胞を操作できる技術ではない。
神経活動を高めるだけでなく、抑えるための道具も加わった。2007年には、光を受けると塩化物イオンを運ぶハロロドプシンを利用し、神経活動を抑制する研究が報告された。その後は、陰イオンを通すチャネルなども利用されるようになった。
チャネルロドプシン2という一つの分子を切り替えるだけで、神経活動のオンとオフの両方を自由に制御できるわけではない。
記憶実験が示した「刺激すると反応を引き出せる」ということ
光による神経活動への介入が何を明らかにできるのかは、2012年の記憶研究を見ると分かりやすい。
利根川進の研究室にいた刘旭、Steve Ramirezらは、恐怖を学習した際に活動したマウスの海馬・歯状回の神経細胞に、チャネルロドプシン2を作らせた。その後、学習時とは異なる環境で同じ細胞群を光によって再び活動させると、マウスが動きを止める「すくみ行動」が増加した。
この査読済み研究はNatureに掲載されている。
論文の図3では、主実験群12匹に加え、電気ショックを与えずに学習させた群12匹、光に反応するチャネルを発現させなかった群12匹を比較した。
5日間の試験を平均すると、主実験群では光を照射している間にすくみ行動が増えた一方、これらの対照群では同様の増加は確認されなかった。単に光を当てたこと自体への反応では説明しにくいことを、対照実験によって確かめたことになる。
この結果が直接示したのは、**学習時に活動した細胞集団を再び刺激することで、その記憶に対応する行動を引き起こせるという「十分性」**である。
一方、その細胞集団の活動を止めたときに記憶の表出ができなくなるのかという「必要性」を確かめるには、別の実験が必要になる。
刺激すると反応が起きたという結果だけから、その細胞群が記憶を保存する唯一の場所だと結論づけることはできない。
また、この研究で測定したのはマウスの行動である。人間が経験する主観的な記憶を読み取ったり、任意の記憶を自由に書き込んだりした実験ではない。
人為的に選んだ細胞群を活動させて記憶に対応する行動を引き出せることと、自然な記憶想起の全過程を説明することの間にも距離がある。
培養細胞で神経発火を制御すること、マウスから恐怖反応を引き出すこと、患者の視覚機能の一部を回復させることは、それぞれ異なる段階の実証である。
代表的な原著論文を、研究対象、操作した内容、実際に測定した結果で整理すると、その違いが分かる。
| 研究・年 | 対象 | 何を操作したか | 実測した結果 |
|---|---|---|---|
| Georg Nagelら・2003年 | カエルの卵母細胞と哺乳類培養細胞 | チャネルロドプシン2を作らせ、光を照射 | 光で開く陽イオンチャネルとして流れる電流 |
| Edward Boydenら・2005年 | 培養哺乳類神経細胞 | チャネルロドプシン2を発現させ、光を照射 | ミリ秒単位での神経発火の制御 |
| 刘旭ら・2012年 | 恐怖学習を行ったマウス | 学習時に活動した歯状回の細胞を光で再刺激 | 光照射中のすくみ行動の増加 |
| José-Alain Sahelら・2021年 | 網膜色素変性症の患者1人 | 網膜への遺伝子導入と光刺激用ゴーグルを併用 | 物体の検出、位置の特定、接触や個数の認識 |
この表は各論文が実際に示した範囲を整理したものであり、異なる対象で得られた効果を同じ尺度で比較するものではない。
神経細胞を発火させられることから、動物の行動を変えられることへ、さらに人の失われた機能を補うことへ進むには、それぞれの段階で別の検証が必要になる。
視覚機能の回復には遺伝子導入と専用ゴーグルが必要だった
人への応用では、網膜色素変性症の患者1人で視覚機能の一部が回復した症例が、2021年にNature Medicineで報告されている。José-Alain Sahel、Botond Roskaらによる査読済みの症例報告だ。
光を受け取る視細胞が失われた網膜で、残っている網膜神経節細胞に光への感受性を持たせる方法が使われた。
研究チームは、遺伝子を運ぶAAVベクターを眼内へ注射し、網膜神経節細胞にChrimsonRという光感受性タンパク質を作らせた。
さらに、カメラを備えた専用ゴーグルで周囲の映像を捉え、明るさが変化した部分に対応する琥珀色の光パルスを網膜へ投影した。光に反応できるようになった網膜神経節細胞がその刺激を受け、脳へ情報を送る仕組みだ。
失われた視細胞そのものを再生する治療とは異なる。
患者は訓練を重ねた後、処置した眼と専用ゴーグルを組み合わせることで、物体の位置を見つけて触れたり、個数を数えたりできるようになった。
研究に参加したIOBの発表によると、白いテーブルの上に置かれたノートを見つけて触れる課題では、39回の試行中36回に成功した。
ただし、この数字は1人の患者が同じ種類の課題を繰り返した結果であり、患者集団における治療成功率を示すものではない。
原著論文の要旨によると、遺伝子導入前にはゴーグルを使っても物体を視覚的に検出できず、遺伝子導入後もゴーグルを使わない状態では検出できなかった。
物体を見ているときには、脳波測定でも視覚野に物体認識と関連する活動が確認された。
つまり、確認されたのは、遺伝子導入と専用装置を組み合わせた条件で、視覚機能の一部が回復したことである。通常の視力が全面的に戻ったわけではない。
脳回路を研究するための技術を、患者の日常生活を助ける方法へ発展させるには、細胞を光に反応させるだけでは足りない。
目的の細胞へ遺伝子を届ける技術、必要な光刺激へ変換する装置、さらにその新しい視覚情報を使いこなすための訓練が組み合わさって初めて機能する。
今後の臨床研究では、同様の改善がほかの患者でも再現できるか、効果が長期間維持されるかを確かめる必要がある。
安全性を検証しながら、装置や訓練の負担を減らし、実験室で物体を見つける能力を日常生活で役立つ視覚へと広げられれば、藻類が光を感じる仕組みから始まった光遺伝学は、失われた感覚機能を補う技術としてさらに発展する可能性がある。