PACAP engages distinct signaling programs across cortical neuronal and non-neuronal cell types

脳は静的な機械ではなく、化学伝達物質が神経活動のボリュームを絶えず調整している動的な景観である。これらの伝達物質の中には、回路がストレス、恐怖、学習に対してどのように反応するかを微調整するモジュレーターとして機能する、小さなタンパク質様分子であるネオペプチドがある。そのような分子の一つである、下垂体腺細胞刺激ポリペプチド（PACAP）は、脳が恐怖を処理し、ストレスに適応する上で重要な役割を果たしていることが古くから知られている。ヒトにおいて、PACAPとその受容体を制御する遺伝子の変異は、特に女性において、心的外傷後ストレス障害（PTSD）を発症するリスクの高まりと関連している。このことは、この分子を、脳がいかにしてトラウマ的な記憶を符号化するかを理解するための集中的な関心の対象にしてきた。しかし、大きな謎が残っていた。それは、PACAPの信号を受け取る受容体が、電気信号を発するニューロンから、脳の環境を維持する支持細胞に至るまで、脳内のほぼすべての種類の細胞に見られるということである。もし同じ信号がこれほど多くの異なる部分に受信されるのであれば、脳はどうやって、混沌とした反応の塊ではなく、特定の、組織化された行動を生み出すことができるのだろうか。

ウィーン医科大学の研究チームは、特定の音に対して恐怖を学習するために不可欠な領域である、側頭連合野に着目することで、この謎を解こうと試みた。彼らは、PACAP受容体が広範囲に存在していることが、すべての細胞種が同じように反応することを意味するのか、それとも脳には、誰が信号を受け取ったかによってその解釈を変えるための隠れたメカニズムがあるのかを確認したいと考えた。マウスを用いた高度なイメージング技術と遺伝学的手法を組み合わせることで、彼らはどの細胞が受容体を保持しているか、そして信号が到着したときにそれらの細胞がどのように振る舞うかを正確にマッピングした。彼らの研究は、受容体はいたるところに存在するものの、細胞の内部機構はそうではないことを明らかにしている。同じ化学メッセージが、細胞の種類によって全く異なる反応を引き起こすことで、脳は複雑な恐怖反応を精密に調整することができるのである。

研究者たちはまず、受容体がどれほど広く分布しているかを再確認することから始めた。細胞内の特定の遺伝的指示を光らせる技術を用いることで、彼らは、脳のブレーキとして機能する抑制性ニューロンの大部分に、そしてニューロンを養い保護する支持細胞であるアストロサイトのほぼすべてに、受容体が存在することを発見した。また、この受容体は、脳活動の主要な駆動源である興奮性ニューロンの多くにも見られる。これにより、この領域内においてPACAPが影響を及ぼす可能性が普遍的であることが確認された。しかし、研究者たちは、受信機を持っていることが、すべての細胞が同じ歌を聴いていることを意味するわけではないのではないかと疑った。これを検証するために、彼らは急性脳スライスを用い、特定の細胞群に直接PAC酸を適用し、敏感な蛍光センサーを用いて細胞内で何が起きているかを観察した。

興奮性ニューロンにPACAPを適用すると、細胞はシクロアデニル酸シクラーゼ（cAMP）と呼ばれる分子のレベルを増加させることで反応したが、これはニューロンがどれほど強く発火するかを調節する一般的な化学伝達物質である。しかし、細胞は、即時的な細胞活動としばしば関連するもう一つの化学信号であるカルシウムの急増は見せなかった。対照的に、研究者がアストロサイトに着目すると、物語は異なっていた。これらの支持細胞は、内部の貯蔵庫からの強力なカルシウム放出を誘発することによってPACAPに反応したが、これは異なるシグナル伝達経路によって駆動されるプロセスであった。驚くべきことに、アストロサイトはシクロアデニル酸シクラーゼのレベルも上昇させた。つまり、彼らは2つの異なるシグナル伝達プログラムを同時に実行していたのである。この発見は、脳が同じ外部信号を使用して、細胞の種類に応じて異なる内部の会話を誘発できることを示唆しており、単一の分子が情報の処理を行うニューロンと、環境を維持する支持細胞の両方の活動を調整することを可能にしている。

研究はさらに、他のニューロンへの入力を制御することで知られる、ソマトスタチン陽性細胞として知られる特定の種類の抑制性ニューロンの調査へと進んだ。PACAPがこれらの細胞に到達すると、細胞はわずかに電気的に活性化され、発火しやすくなった。この効果は、MEKと呼ばれるタンパク質キナーゼとナトリウムチャネルの一種を含む特定の連鎖イベントによって駆動されており、他の細胞で見られる単純な化学変化とは異なるメカニズムであった。このことは、PACAPが単にこれらの細胞に受動的に信号を送るだけでなく、細胞の物理的な状態を能動的に変化させ、より反応しやすくしていることを示唆している。これらの抑制性細胞をより活性化させることで、PACAPは特定の神経回路の部分に対して効果的に「ブレーキ」を締め、恐怖の記憶がどのように処理されるかを形作っている可能性がある。

生体内の動物においてこれがどのように展開されるかを理解するために、研究者たちはマウスが特定の音に対して恐怖を学習している間、リアルタイムでこれらの細胞を観察した。彼らは、側頭連合野の興奮性ニューロンが、軽い足への電気ショックを予測する音を聞いたときに高度に活性化することを発見した。この活動の強さは、マウスが恐怖で凍りつく（フリーズする）行動と密接に関連しており、これらの細胞が脅威の記憶を符号化していることを示唆している。興味深いことに、抑制性ニューロンも音に反応したが、その活動パターンは異なる物語を語っていた。抑制性ニューロンも活動はしていたものの、その活動パターンは、興奮性細胞と同じようにはフリーズ行動と相関していなかった。むしろ、彼らの活動は興奮性細胞と対立するように見え、恐怖反応が過剰になりすぎるのを防ぐためのカウンターバランスとして機能している可能性があった。

研究者たちは、これらの特定の細胞をオフにすることで、恐怖の記憶を止めることができるかどうかをテストした。彼らは、記憶テスト中にPACAP受容体を持つ興奮性ニューロンを沈黙させる遺伝的な手法を用いた。驚いたことに、これらの細胞をオフにしても、マウスのフリーズ行動は止まらなかった。これは、これらの細胞が恐怖学習中に活性化しており、記憶回路の一部ではあるものの、フリーズ行動の唯一の駆動源ではないことを示している。脳はおそらく、多くの異なる細胞種が最終的な結果に寄与する複雑なネットワークに依存しており、一つのグループを沈黙させるだけでは連鎖を断ち切るには不十分であることを示している。これは、複数の経路が同じ行動的結果へと導く、神経回路の回復力と冗長性を浮き彫りにしている。

研究はまた、これらの細胞が脳の他の部分とどのように接続しているかについても調査した。側頭連合野の興奮性ニューロンは、恐怖処理の中心である扁桃体や、行動選択に関与する線条体を含む様々な領域へ長いワイヤー（神経突起）を送っている。研究者たちは、PACAPがこれら異なるグループのニューロンの反応速度に影響を与えることができることを発見し、化学信号が遠く離れた脳領域の活動を同期させる助けとなることを示唆した。しかし、これらの内部シグナル伝達や結合性の変化にもかかわらず、PACAPが適用された際にシナプスにおける神経伝達物質の即時的な放出は、有意には変化しなかった。これは、この文脈におけるPACAPの主な役割が、特定の二つのニューロン間の接続強度をその瞬間に直接変化させることではなく、細胞全体の興奮性と状態をチューニングすることにあることを示唆している。

究理的に、この論文は、脳が単なる交換機よりもはるかに洗練されたものであるという絵を描いている。細胞に受容体が存在することは、単一の、一様な結果を決定づけるものではない。むしろ、脳は、同じ化学伝達物質が細胞の種類に応じて異なる内部経路を動かすことができるシステムを進化させてきた。興奮性ニューロンにおいて、PACAPはある道具セットを通じて作用する。抑制性ニューロンにおいては別の道具を使い、アストロサイトにおいては第三の道具を用いる。この多様性により、単一の分子が複雑な活動の交響曲を指揮することができ、脳が脅威から学び、その記憶を保存し、制御を失うことなく適切な恐怖反応を発現することを確実にしているのである。研究結果は、脳がどのように機能するか、あるいはPTSDのような疾患においてどのように誤作動するかを理解するためには、単に受容体の存在を見るだけでなく、各細胞タイプの独自の内部機構を調べなければならないことを示唆している。これらの明確なプログラムを理解して初めて、私たちは脳がいかにして化学信号を、特定の、意味のある行動へと変えるのかを把握することができるのである。