“今この瞬間”を記憶する仕組みを発見

Hebb（1949）は、その古典的著書“The organization of behavior”において、脳が記憶する時、まず、即時的なシナプス強化が”生理学的な”仕組みによって生ずる、と考えた。その瞬時に経験したことを我々は感じることができるからである。その生理学的な変化がその後時間をかけてシナプスの形の変化を引き起こし、記憶を保持し続けるシナプスになる、とHebbは考えた（図2参照）。そんな瞬時に爪痕を残すことのできる「即時的におこる生理学的な変化とは何か?」という生物学的な問いに対し、初めて答えを与えたのが本研究である。Syt7の分子運動（図1参照）は一瞬にして起こるので、その動きによって瞬時に作られる即時性シナプス増強こそが即時記憶の脳内実体であることが、本研究から推測される。
“短期記憶（short-term memory）”と混同されがちであるが、短期記憶は、短い時間（1秒以下から数分まで、実験系、対象により、様々であるが）維持されたのちに消滅する記憶を意味する。全ての記憶の初期段階で生ずる即時記憶は、短期で失われるものもあるし、記憶の強さによっては、Hebbが語ったようにその後、長期記憶として維持される永続的なものもある。思考のため一時的に維持される記憶、”ワーキングメモリー”は、心理学においてはその目的が特殊であるために即時記憶や短期記憶と違うカテゴリーとして分類がなされていることもあるが、細胞の機能を一般的に捉えることを試みる神経生物学においては、「即時記憶であり（すぐにできて）、かつ、短期記憶である（すぐに消える）」と言える。

活動電位が連続してシナプス部に到達するとき、前の活動電位によって流入したカルシウムの“残り香”=“残存カルシウム”によって後の活動電位によるシナプス伝達が強くなる現象。太平洋戦争の始まる直前、1940年に中華民国のFengによって初めて報告された。以来、EcclesやKatzなどの主要な生理学者によって研究されてきたが、その分子機構もその意義も謎のままだった。
かつて”シナプス促通”という訳語が当てられていた。この文学的で格調の高い訳語に敬意を払うところはあるが、実際のシナプスで起こる現象をこの訳語から直感的に想像することは、現象を既に熟知する専門家以外には困難で、理解を助ける概念としての意義が薄かった。“促通”とだけ聞くと、「"通じ”を促す」という意味の婉曲的表現とも誤解されかねない。そこで、その分子メカニズムが明らかになったこの機会に、実験時の電気生理記録（図3参照）や脳内での現象を直感的に想像させ、また、長期増強などの他のシナプス可塑性の用語とも馴染みのいい新しい訳語として、“即時性シナプス増強”に変更したい。

シナプトタグミンファミリーのシナプトタグミン7（Syt7）は、Syt1とは逆方向に、細胞膜の方に膜貫通ドメインでつなぎとめられ、低濃度のカルシウムに反応し結合するとシナプス小胞について、膜融合を制御すると考えられる（図1参照）。Syt7の発現量が多いほどシナプス伝達をより強く抑制することが、当グループの先行研究から分かっていた（Fujii et al., Sci. Rep. 2021; 関連する過去のプレスリリース（2021年3月1日）参照）。
以前、Harvard大学のRegehr博士の研究室から、Syt7のノックアウトマウスで即時性シナプス増強が見られないことから、Syt7が即時性シナプス増強のカルシウムセンサーとして同定されたかのように誤解された論文がNature誌に発表された（2016）。しかし、本研究で明らかになったように、Syt7による抑制を解除するにはまずその抑制が必要で、抑制がかかっていなければ、そもそも即時性シナプス増強は起こり得ない。よって、抑制の欠損したノックアウトマウスの症状を見ることによって即時性シナプス増強を引き起こすカルシウム感受性について問うことは不可能なのである。Regehr研究室からのこの論文は、「Syt7は即時性シナプス増強がおこるために必要な前提条件である」ことを意味する重要な一歩ではあったが、Syt7が即時性シナプス増強のカルシウムセンサーであることを示したわけではなかった。Syt7のノックアウトマウスで即時性シナプス増強が見られなかったのは、抑制がなくて、最初からシナプス伝達が著しく大きいために増強比の分母が巨大となり、さらに、デフォルトで大きな伝達のために伝達物質を内包するシナプス小胞が枯渇するためと考えられる。即時性シナプス増強のためのカルシウムセンサー（“高親和性カルシウムセンサー”）は、本研究によって初めて、Syt7のC2Aドメインとして同定された。
この例のように、実験結果から因果関係を導出する際には、当グループが以前警鐘をならした論説がNatureの社説にもとりあげられたように（Nature, 558: 162, 2018; Yoshihara & Yoshihara 2018 J. Neurogenet.）、細心の注意を要する。現在の生物学一般において、 “偽の必要かつ十分“という、形式論理学の言葉を不正に借りた”似非論理”があまりにも広く流布されてしまっているため、実験結果を解釈する際には、特に注意が必要である。Syt7の場合も、“偽の必要かつ十分“を示す実験結果は極めて安易に得られてしまうので、誤った理解をつくる一方で理解したような気分を演出する”似非論理”には要注意である（吉原、“necessary & sufficient”に気をつけてー若き生命科学者の健全な思考法のために－、実験医学　Trend Review　2019年　Vol.37 No.4 （3月号）571-578 羊土社）。

ショウジョウバエの卵の中で育つ胚の運動ニューロンと筋細胞の間のシナプス（図4参照）。ショウジョウバエ遺伝学が縦横無尽に活用できる上に、発生途上ゆえに可塑性に富んでおり（Yoshihara et al., J. Neurosci. 1997）、記憶のメカニズムのモデルシナプスとして理想的である。当グループはかつてこの実験系を活用して、シナプス可塑性の実験を行い（図5参照）、記憶の一般仮説として、“局所フィードバック仮説”を結論した（Yoshihara et al., 2005, Science）。もう一つの利点として、ミオシンの突然変異体を使って筋細胞が収縮しないようにする方法 （Yoshihara et al., J. Neurosci. 2000）が使えるので、様々な実験条件で安定した電気記録が可能である。しかも、同定されたシナプスであるので、シナプス電流を絶対値として計測することが可能である。そのため、本研究においても、抑制異常が巨大なシナプス電流として定量可能なため、マウスの実験では同じに見えた抑制異常と即時性シナプス増強の異常が、全く異なる症状として認識することができた。それによってJackman et al.（2016, Nature）の解釈は誤っていたことが明確になり、Syt7のC2Aドメインが即時性シナプス増強のカルシウムセンサーとして働いている真の証拠を提示することに成功した（用語解説参照）。
シナプスレベルでは、人を含む哺乳類とショウジョウバエの間でほぼ同じタンパク質がどちらもフルセットそろっていて、それぞれの分子が非常に似た働きをすることによってシナプスが営まれている。そのため、遺伝学的解析が容易なショウジョウバエで分子機能を解析する、という戦略が一般的な分子機能を知るために有効となる。たとえば、当グループの前身において、膜融合装置タンパクであるシナプトブレビン（Yoshihara et al., J. Neurosci., 1999）、伝達物質の分泌をトリガーするシナプトタグミン1 （Yoshihara and Littleton, Neuron 2002; 用語解説参照） の機能がまずショウジョウバエの研究で明らかになり、のちに、Sudhof博士の研究室においてマウスを使ったほぼ同じ結果が確認された（Schoch et al., Science, 2001; Sun et al., Nature 2007）。それらの結果を元にSudhof博士にノーベル賞が授与されたことからも、 ショウジョウバエの研究も微力ながら貢献したということができる。縦横無尽な遺伝学によって分子の働きを詳細に理解することができるショウジョウバエを使った研究を通して分かった分子メカニズムが記憶の仕組みの理解にもつながり、また、その分子機能はヒトの病気にまで応用されることが期待できる。

シナプトタグミンファミリーの分子は全て、図6のシナプトタグミン1（Syt1）のように、膜貫通ドメインで膜につながれていて、二つのタンデムに並んだカルシウム結合ドメイン、C2A、C2Bを持つ。カルシウム結合ドメインにカルシウムが結合すると膜にめりこむことにより、二つの膜構造を橋渡しすることができるタンパク質ファミリーである。最もよく研究されているSyt1は、神経伝達物質を内包するシナプス小胞膜につながれていて、高濃度のカルシウムに反応して細胞膜につくことによって、膜融合を引き起こし、伝達物質の分泌をトリガーする。神経細胞の活動に応じたシナプス伝達を誘導する“低親和性カルシウムセンサー”と呼ばれる。
Syt1の場合、C2Aドメインが活動電位に同期しない伝達物質の放出を抑制し、C2Bドメインが活動電位に同期した伝達物質の放出をトリガーする。この二つのドメインの拮抗がカルシウムセンシングの精度を鋭敏にしていることは、当グループによって発見された（Yoshihara et al., PNAS, 2010）。この研究に触発されて、本研究でSyt7のC2ドメイン間の拮抗が調べられた。この拮抗こそが、シナプトタグミンファミリーの分子が二つのC2ドメインを持つ理由であると、当グループでは考えている。

活動電位によってシナプス前終末にカルシウムが流入することにより急激にカルシウム濃度が上昇し、そのカルシウムがSyt1に結合して膜融合がおこり、グルタミン酸などの神経伝達物質が放出される。そのときのカルシウム上昇は時間経過とともに約100ミリ秒の時定数で薄まるが、その“残り香”のように留まるカルシウムが“残存カルシウム”と呼ばれる。即時性シナプス増強のために残存カルシウムを感知するためには、“低親和性カルシウムセンサー”として働くSyt1以外に、第二のセンサー、“高親和性カルシウムセンサー”の存在が必要であることが理論的に予測され（Yamada and Zucker, 1992）、実際に残存カルシウムが即時性シナプス増強をひきおこすことが実験的に示された（Kamiya & Zucker, 1994）。

イワン・パブロフが19世紀末にイヌを使って行った実験。また、同じ構造で行われる行動実験の総称（“古典的条件付け”という用語はあえて避けている; 吉原、Clinical Neuroscience, 2022、 Vol. 40 (8) “ノーベル賞の神経科学”、 928-933 “Ivan Petrovich Pavlov (1904) 条件反射を“発見”した, 記憶神経生物学の先駆者”）。メトロノームの音のような条件刺激に続いてエサの無条件刺激を与えることを繰り返すと、音の刺激だけでよだれをたらすようになった（図7参照）。当グループでは、この記憶形成の脳内過程を目の当たりにすることを目指し、最初に、ショウジョウバエの脳内に摂食を司令するニューロン、“フィーディング・ニューロン”を行動スクリーニング（G3, 2013）によって発見した（Nature, 2013）。このフィーディング・ニューロン上で記憶をつくるため、メトロノームの音の代わりに、棒を離す刺激を条件刺激として使用して条件付けの実験を行ったところ、棒を離す刺激がフィーディング・ニューロンを活動させ、摂食行動を引き起こすようになった（Sakurai et al., Curr. Biol. 2021）。現在、当グループにおいて、記憶に伴う脳内変化を追跡する実験を進めている。

活動する神経細胞の間に即時記憶が形成され、それが固定化されて長期記憶へと変化するための細胞機構を説明する一般仮説。シナプスにおいて、両側の細胞がお互いに強め合うことが即時記憶をつくり、それがシナプスの成長を促して長期記憶に変化する、と仮定した（図8参照）。ショウジョウバエの運動ニューロンと筋細胞間のシナプス可塑性（用語解説参照）における知見によって当グループの前身において提唱されたが（Yoshihara et al., Science, 2005）、当グループにおいて、上述の条件反射の実験系（用語解説参照）を活用して、脳内の記憶時での検証が進んでいる。
Hebbの法則に始まってこの仮説も示すように、プレとポストの活動が同期することによって長期間続くシナプス特異的な強化が生じると予測される。本研究では、即時性シナプス増強はプレだけの反応であったが、このプレの変化にどのようにしてポスト側の活動がカップルするのか、その相互作用が、長期記憶を見据えた次の重要なステップと考えられる。