Astrolightを用いて操作されたアストロサイトアンサンブルが手がかり動機行動を調整する

2025-02-18 Tue
星形膠質細胞が行動を調節する新たな発見：AstroLightツールの応用学術的背景これまで、神経科学の研究は主にニューロンの活動に焦点を当てており、脳機能における星形膠質細胞（astrocytes）の役割は見過ごされてきました。星形膠質細胞は脳内で最も多数存在する細胞タイプの一つですが、従来は均一で機能的に単純な支持細胞と考えられていました。しかし、最近の研究では、星形膠質細胞がシナプス活動やニューロン間の通信、さらには行動の制御において重要な役割を果たしていることが明らかになっています。それでも、特定の星形膠質細胞サブセットを正確に操作できるツールの欠如により、研究者たちは星形膠質細胞の神経回路における機能的多様性や具体的な作用メカニズムについて十分に理解できていませんでした。
本研究では、この問題を解決するために、新しいツール「AstroLight」を開発しました。これは、星形膠質細胞のカルシウムシグナル（calcium signaling）に基づいて光依存的に遺伝子発現を誘導し、特定の機能を持つ星形膠質細胞サブセットを正確に標識および操作できるものです。研究は、報酬システムの主要なノードである側坐核（nucleus accumbens, NAc）に焦点を当てています。この領域は、報酬探索、意思決定、空間記憶などの行動を統合します。この研究を通じて、著者らは星形膠質細胞が手がかりと報酬の関連付け（cue-reward association）を調節する上で重要な役割を果たしていることを明らかにしました。
論文の出典本研究は、スペインのCajal研究所（Instituto Cajal, CSIC）などの機関に所属するIrene Serra、Cristina Martín-Monteagudo、Javier Sánchez Romeroらの研究チームによって行われました。論文は2025年にNature Neuroscience誌に掲載され、「Astrocyte ensembles manipulated with AstroLight tune cue-motivated behavior」と題されています。
研究の流れと結果1. AstroLightツールの開発と検証AstroLightは、カルシウムシグナルと光依存的な遺伝子発現に基づいて、特定の行動タスク中に活性化する星形膠質細胞を標識・操作できる新規ツールです。その仕組みは、3種類のウイルスベクター（v1, v2, v3）を使用して合成タンパク質を星形膠質細胞に発現させます。細胞内のカルシウムシグナルが上昇し、青色光に曝されると、転写活性化因子（tta）が放出され、蛍光タンパク質マーカー付きのアクチュエーター（例: ChR2）が発現します。
実験プロセス：

- in vitro実験：培養された初代星形膠質細胞を使用して、AstroLightのカルシウムシグナル依存性と光感受性を検証しました。その結果、高濃度のカルシウムおよびATP処理により、蛍光タンパク質の発現が有意に増加することが示されました。

- in vivo実験：マウスの側坐核にAstroLightウイルスベクターを注入し、ファイバーフォトメトリー（fiber photometry）を使用してカルシウムシグナルを記録し、特定の行動タスク中に活性化する星形膠質細胞を標識しました。その結果、AstroLightは生体内で行動に関連する星形膠質細胞サブセットを正確に標識できることが確認されました。
2. 側坐核星形膠質細胞が手がかりと報酬の関連付けに果たす役割星形膠質細胞が報酬関連行動において果たす役割を調べるために、著者らはオペラント条件付けタスク（operant conditioning task）を設計しました。これにより、マウスが発光ダイオード（LED）の手がかりと10%ショ糖溶液の報酬を関連付けるよう訓練しました。
実験プロセス：

- 行動訓練：訓練期間中、マウスは徐々に特定のLED手がかりと報酬を関連付けることを学習し、正答率（correct index）の向上や報酬ポート到達時間の短縮として表れました。

- カルシウムシグナルの記録：ファイバーフォトメトリーおよびCamparigfapイメージング技術を使用して、訓練中の側坐核星形膠質細胞のカルシウムシグナル変化を記録しました。その結果、報酬消費が星形膠質細胞のカルシウムシグナル反応を引き起こし、さらに訓練が進むにつれて、手がかり提示も顕著なカルシウムシグナル活動を引き起こすことがわかりました。
3. AstroLightによる行動関連星形膠質細胞サブセットの標識訓練の8日目に、著者らは報酬提供時に活性化する星形膠質細胞サブセットをAstroLightで標識し、これらの細胞が側坐核内での空間分布を解析しました。
実験プロセス：

- 標識とイメージング：三次元定量法を使用して、標識された星形膠質細胞が側坐核内にどのように分布しているかを分析しました。その結果、タスク関連の星形膠質細胞サブセットは主に側坐核の腹側および後側領域に分布しており、Camparigfapで記録されたカルシウムシグナル活動と高い相関があることがわかりました。

- 行動テスト：標識された星形膠質細胞を光遺伝学的に刺激し、それがマウスの行動に与える影響を観察しました。その結果、タスク関連の星形膠質細胞サブセットを活性化すると、マウスが特定の報酬位置への選好を有意に増加させることが示されました。
4. 星形膠質細胞サブセットの操作と行動調節星形膠質細胞サブセットが行動調節に果たす因果関係をさらに検証するために、著者らはAstroLightを使用して標識された星形膠質細胞にGq-DREADDs（designer receptors exclusively activated by designer drugs）またはhPMCA2w/b（human plasma membrane Ca2+ ATPase）を発現させ、それぞれカルシウムシグナルを強化または抑制しました。
実験プロセス：

- Gq-DREADDsの活性化：タスク関連の星形膠質細胞にGq-DREADDsを発現させ、CNO（clozapine N-oxide）でこれらの細胞を活性化しました。その結果、これらの細胞を活性化すると、マウスが特定の報酬位置への選好を有意に増加させることが示されました。

- hPMCA2w/bによる抑制：タスク関連の星形膠質細胞のカルシウムシグナル活動を抑制したところ、マウスが特定の報酬位置への選好を有意に低下させることがわかりました。この結果は、星形膠質細胞のカルシウムシグナル活動が手がかりと報酬の関連付けを双方向的に調節することを示しています。
結論と意義本研究では、AstroLightツールを開発することで、初めて星形膠質細胞が側坐核内で機能的に特化したサブセットを形成し、手がかりと報酬の関連付けを調節する上で重要な役割を果たしていることを明らかにしました。研究結果は、星形膠質細胞が均一な集団ではなく、特定の機能を持つサブセットとして組織され、カルシウムシグナル活動を通じて複雑な行動を微細に調節することを示しています。この発見は、星形膠質細胞の機能に関する我々の理解を深めるだけでなく、脳の神経ネットワークにおける非ニューロン細胞の研究に新しいツールと方法を提供します。
研究のハイライトAstroLightツールの革新性：AstroLightは、カルシウムシグナルと光依存条件下で星形膠質細胞サブセットを正確に標識および操作できる最初のツールであり、高い時空間分解能を持っています。

星形膠質細胞機能サブセットの発見：本研究では、星形膠質細胞が側坐核内で機能的に特化したサブセットを形成し、行動調節において重要な役割を果たしていることを初めて明らかにしました。

行動調節の双方向メカニズム：星形膠質細胞のカルシウムシグナル活動を活性化または抑制することで、星形膠質細胞が手がかりと報酬の関連付けを双方向的に調節することが実証されました。
その他の価値ある情報本研究の発見は、脳の報酬システムの複雑なメカニズムを理解するための新しい視点を提供し、報酬関連行動障害（例えば、依存症やうつ病）の治療に新たなターゲットを提供する可能性があります。さらに、AstroLightツールの幅広い応用は、星形膠質細胞研究分野のさらなる発展を促進します。