神経細胞の膜電位と細胞内カルシウムイオンの同時イメージングに成功

膜電位と細胞内カルシウムイオンのコードする情報の違いを解明

理学研究院
石原 健 教授

ポイント

・近年、神経細胞の活動は、膜電位(※1)の変化に続いて起こる、細胞内カルシウムイオン(※2)の変化を顕微鏡で観察されることが多くなっていました。しかし、生きている個体で測定することは困難であったので、膜電位変化と細胞内カルシウムイオン変化との関係は分かっていませんでした。
・本研究では、線虫C. elegans(※3)の感覚神経細胞をモデルとして、刺激に応じた神経細胞の活動を、顕微鏡によって膜電位の変化と細胞内カルシウムイオンの変化を生きたまま同時解析することに、世界で初めて成功しました。
・今後、神経回路における神経細胞の活動の理解に繋がることが期待されます。

概要

 神経細胞は、電気的な信号を流すことによって情報を伝達しています。これまで、電極を使った電気的信号の測定によって神経活動が解析されてきましたが、近年では緑色蛍光タンパク質(GFP)などを改良したカルシウムイオン感受性蛍光タンパク質(カルシウムイオンプローブGECI)(※4)を使ったカルシウムイメージング法が発達し、生きたままの個体で非侵襲に神経細胞の活動を測定できるようになりました。
 このカルシウムイメージング法では、細胞内カルシウムイオン濃度の変化を測定しますが、これは電気的な信号の本体である膜電位の変化に起因します。したがって、細胞内カルシウムイオン濃度の変化が膜電位の情報をどのように反映しているかを理解することが、カルシウムイメージングによる神経活動の理解に必要です。
 九州大学大学院理学研究院の石原健教授と九州工業大学大学院情報工学研究院の徳永旭将准教授らは、膜電位感受性蛍光タンパク質(膜電位プローブGEVI)(※5)とカルシウムイオン感受性蛍光タンパク質を同時にイメージングすることによって、線虫が生きたそのままの状態で膜電位とカルシウムイオンの同時測定に成功しました。線虫の嗅覚神経細胞AWAにおいて、この方法を用いて匂い物質に対する応答を測定し、膜電位変化と細胞内カルシウムイオン変化が異なる情報をコードしていることを世界で初めて明らかにしました。
 この発見は、膜電位変化と細胞内カルシウムイオン変化の関係を生きたままの個体で初めて明らかにしたものであり、今後は高等動物の神経細胞における測定などへの応用が期待されています。
 本研究は、Communications Biology誌に2024年9月16日(月)(日本時間)に掲載されました。

研究者からひとこと

 膜電位と細胞内カルシウムイオンの同時イメージングが可能になると、神経回路でのそれぞれの働きを区別して研究できるようになると考えています。この研究は、インフォマティクス研究者と実験研究者との共同研究で初めて可能になりました。

用語解説

(※1)膜電位:
細胞は細胞膜で覆われている。この細胞膜の外側と内側の間には電位差があり、この電位差を膜電位という。神経細胞は、膜電位の変化によって、情報を伝えている。膜電位がプラス方向に変化することを脱分極、マイナス方向に変化することを過分極という。

(※2)細胞内カルシウムイオン:
神経細胞が興奮(活性化)すると、膜電位変化に引き続いて、細胞内カルシウムイオン変化が起こる。細胞内カルシウムイオンは膜電位に比べて大きく変化する。カルシウムイメージングでは、この変化をカルシウムイオン感受性蛍光タンパク質によって測定する。

(※3)線虫C. elegans(学名 Caenorhabditis elegans):
モデル動物の一つ。302個の神経細胞からなる神経回路の構造が明らかになっている。体が透明で、特定の神経細胞に蛍光タンパク質を発現させることによって、その細胞の膜電位や細胞内カルシウムイオン変化を測定することができる。

お問い合わせ先

理学研究院 石原健 教授

詳細

本研究の詳細はこちらをご参照ください。

室温程度の環境熱を活用した新機構有機熱電デバイスの開発に成功

【10/25開催】半導体・デバイスエコシステム研究教育センター開所式および設置記念シンポジウム

関連記事

  1. 西田 基宏教授(生理学分野)が2022年度 第8…

    〜西田 基宏教授(生理学分野)が2022年度 第81回西日本文化賞【奨励賞 …

  2. 「骨の中に骨髄が生まれる仕組み」を解明

    発生と再生に共通する破骨細胞誘導プログラムを発見生体防御医学研究所澤…

  3. 全国8地域からなる⼤規模認知症コホート研究で社会…

    〜社会的孤⽴と脳萎縮および⽩質病変との関連を報告〜ポイント・…

  4. ⿇疹(はしか)ウイルスが「協⼒」して脳炎を引き起…

    ~ 新規治療薬の開発やウイルス共通の進化メカニズム解明に期待 ~ポイ…

  5. ゲノム編集の効率や安全性を100倍以上高める新技…

    ~ 遺伝子治療の実用化を加速する次世代型ゲノム編集法として期待 ~ …

  6. Ig G4関連疾患の罹患臓器に浸潤し細胞傷害と臓…

    歯学研究院前原 隆 講師臓器線維化と免疫グロブリンのクラススイッチに…

  7. 横紋筋特異的なリボソームを発見

    ~ 心機能に必須な翻訳伸長ダイナミクスを調節する ~ ポイント…

  8. 世界34カ国の150万人のデータからなる国際共同…

    〜修正可能な危険因子が心血管疾患罹患の半分を占めることを報告〜ポ…