夢瑶ヘンリー、凹非寺から
量子位 | 公式アカウント QbitAI
先ほど、2026年のノーベル生理学・医学賞が発表されました！
カール・デイサロス、ペーター・ヘゲマンおよびゲオルク・ナーゲルの3人の科学者が共に受賞した。
ノーベル委員会が授与理由として挙げたのは――光制御イオンチャネルと光遺伝学の分野における発見に対する表彰である。
3人の受賞者が共に築き上げたのは、過去20年間の神経科学における最も重要な方法論的革新の一つである：オプトジェネティクス（Optogenetics）。
その最も重要な革新点は、科学者が光を利用して、ミリ秒レベルの時間スケールで特定の種類の神経細胞を正確に活性化したり抑制したりできるようにすることです。
以前、研究者は、特定の脳領域や神経細胞群が、記憶の形成、感情の変化、運動制御、あるいは特定の行動が起こる際に同時に活発になることを、観察するしかなかった。
光遺伝学がこれを変えた。
研究者は特定のニューラーンの活動を主動的に操作することができ、その結果として行動がどう変化するか、弱まるか、消失するかを観察する。これにより、多くの問題を相関性の観察から因果関係の検証へと進めることができる。
この方法は後に、神経回路の研究において重要なツールとなり、記憶、報酬、依存症、運動制御、そして様々な神経や精神疾患のメカニズムに関する研究に広く利用されるようになった。
そして、この神経科学ツールの革命は、実際には光を追いかけて動く単細胞の緑藻から始まったのです。
緑藻の光スイッチから、ニューロンを制御するものまで
光遺伝学という技術路線の出発点は、実に予期せぬもの――緑藻です。
一部の単細胞緑藻は、光の影響で動き方を変える。これを実現するためには、光を迅速に「電気信号」に変換できるメカニズムが必要である。
それは本質的に光制御イオンチャネルであり、光が当たるとチャネルが開き、イオンが細胞膜を通過し、細胞膜の電位も変化する。
この事象を神経細胞に当てはめると、興味深い点は、神経細胞が情報を伝達する際、本来はイオン流と膜電位の変化に依存しているということです。
したがって、このような「光が当たると開く」イオンチャネルを神経細胞に組み込えば、理論上は光を使って神経細胞がいつ放電するかを制御することができる。
ピーター・ヘゲマンとゲオルク・ナゲルが行ったことは、この扉を本当に開けることだった。
ヘゲマンは、単細胞緑藻であるクラミドモナス・ラインハルトiiが光をどのように感知するかについて長期にわたって研究してきた。
この緑藻には目がないが、光を追いかけて動く。そのためヘゲマンは、光の刺激を直接電気信号に変換できるタンパク質が隠れている可能性があると早くも気づいた。
2002年、ヘゲマン、ナーゲルおよびその協力者が、最初のチャネルロドプシンを発見した。
2003年、彼らはChannelrhodopsin-2、すなわちChR2をさらに解析し、それが光によって直接開くことができる陽イオンチャネルであることを確認した。
これにより、緑藻に自然に存在する「光スイッチ」が見つかった。
次に、カール・デイサロスがそれを真の神経科学のツールにした。
2005年、デイサロットのチームはChR2を哺乳類の神経細胞に導入し、青色光の照射だけで、ミリ秒レベルの精度で神経細胞の活動電位を誘発できることが分かった。
ここに至って、光遺伝学が本格的に確立されました。研究者は遺伝学の手法を利用して、特定のタイプの神経細胞だけにこの光感受性タンパク質を発現させることができるようになりました。
そうして、以前は難しかったことを、突然操作可能になった——
ある種のニューロンを選択し、「光スイッチ」を装着して、光によってどの時に活性化し、どの時に沈黙するかを正確に制御する。
光遺伝学の最も重要な点は、神経科学における長年の難問を解決したことです。それは、「脳の活動が見える」という状態から、「実際に誰が行動を制御しているか」を確認するという問題です。
その後、この方法は記憶、睡眠、報酬、依存症、運動、不安、うつ、社会的行動、そして様々な神経や精神疾患に関連する脳回路の研究に広く用いられるようになった。
その最大の利点は明確で、特定の細胞タイプを特定しつつ、高い空間精度を持ち、さらにミリ秒レベルの時間制御も可能であるということです。
過去20年間で、研究者たちはChannelrhodopsinを絶えず改良してきました。
あるものは反応が速く、別のものは異なる色の光によって活性化される。また、あるものはニューロンを「開く」役割を担い、別のものは「閉じる」役割を担う。
そのため、今年のノーベル賞の公式発表では、「light-gated ion channels」と「optogenetics」の二つを並べて記載しています。
前の部分は、ヘゲマンやナーゲルらが光制御イオンチャネルの発見とメカニズムに関する研究に対応している。
後半では、デイサロトらがこれらの分子ツールを神経系に実際に導入し、神経回路を操作できる技術体系へと発展させたことについて述べられている。
三人の貢献がつながれば、実際には非常に完全なルートになる――
緑藻の中の「光スイッチ」を見つけ、それを神経細胞に組み込み、最終的に科学者が初めて光で脳内の特定の細胞を正確に制御できるようにした。
3人の科学者が、光遺伝学の最も重要な3つのパズルを完成させた
カール・アレクサンダー・デイサロス｜カール・アレクサンダー・デイサロス
カール・アレクサンダー・デイサロス（Karl Alexander Deisseroth、1971年11月18日—），アメリカの神経科学者、精神科医、生物工学学者。現在、スタンフォード大学の生物工学および精神医学・行動科学の教授、ハワード・ヒューズ医学研究所の研究員を務めている。
彼の経験は、医学、神経科学、工学を横断する典型的なものでした。
1992年、デイサロスはハーバード大学の生化学専攻を卒業し、その後スタンフォードMD-PhDプログラムに進み、1998年に神経科学の博士号、2000年に医学の博士号を取得した。
彼が光遺伝学センターの中心的位置に立ったのは、2005年のその研究によるものだ。
当時、デイサロス、エドワード・ボイデン、張鋒らはChannelrhodopsin-2、すなわちChR2を哺乳類の神経細胞に導入し、その後――
青色光の照射だけで、ニューロンが動作電位を発生することをミリ秒レベルの精度で制御できます。
このステップにより、以前微生物に存在していた「光制御イオンチャネル」が、神経系を操作できるツールに変わった。
その後、デイサロットのチームは光遺伝学の発展を推進し続け、CLARITYなどの組織の透明化やイメージング技術を開発した。
したがって、彼の貢献は明確です。光制御イオンチャネルを神経科学に実際に導入し、「光でニューロンを制御する」ことを大規模に利用可能な方法とすることです。
ピーター・ヘゲマン｜ピーター・ヘゲマン
ピーター・ヘゲマン（Peter Hegemann、1954年12月11日—）、ドイツの生物物理学者。現在、ベルリン・フンボルト大学の実験生物物理学教授、神経科学のヘルティ講座教授を務めている。
デイサロスと比べて、ヘゲマンはより純粋な基礎研究の道を歩んでいる。
彼はドイツのミンネルトで生まれ、ミンネルト大学とミュンヘン大学で化学および生物化学を学び、1984年にマックス・プランク生物化学研究所で博士研究を終えた。
1993年から、彼はレーゲンスブルク大学の教授を務め、その後ベルリン・ホンバウム大学に移籍した。
数十年にわたり、ヘゲマンは非常に基本的な問題について研究してきた。それは、単細胞微藻がどのように光を感知するのかということである。
この研究は後に直接、チャネルロドプシンへとつながった。
彼はゲオルク・ナゲルらと共にチャネル視紫紅質を発見し、その構造を明らかにした。このタンパク質が光受容とイオン流の制御という二つの機能を一つの分子内で実現していることを証明した。
光遺伝学にとって、この一歩は最も重要な「部品」を見つけたことに相当する。
この自然に存在する光制御イオンチャネルがなければ、後ほどの「光による神経細胞の制御」という技術も論じることができない。
ゲオルグ・ナーゲル｜格奥尔グ・ナーゲル
ゲオルク・ナーゲルは1953年生まれのドイツ人生物物理学者で、ヴィルツブルク大学の教授を務めている。微生物の光受容体、膜タンパク質、光遺伝学ツールについて長期にわたり研究を行っている。
ナーゲルはドイツのヴァイエンガーテンで生まれ、コンスタンツ大学で生物学と生物物理学を学び、1988年にフランクフルト大学で博士号を取得した。
その後、彼はイェール大学とロックフェラー大学で博士後研究を行い、マックス・プランク生物物理研究所で長期にわたり研究グループを率いていた。
彼の最も重要な貢献は、チャネルロドプシンが本当に「定位置に固定される」となった数年間に集中している。
2002年と2003年には、NagelとHegemannらが、Channelrhodopsin-1およびChannelrhodopsin-2を順番に同定し、特性を明らかにした。
その中でChR2は特に重要です。
彼らは、ChR2が直接光によって活性化されるカチオンチャネルであることを証明しました。また、哺乳類の細胞に置くと、光照射によって細胞膜が脱分極することがわかりました。
このステップは、後に生じる技術的アプローチをほぼ直接的に示している。光がChR2を通じて細胞膜の電気活動を変えることができるのであれば、それをニューロンに組み込むことで、直接ニューロンの放電を制御する可能性がある。
ヘゲマンとナーゲルは「光スイッチ」自体を見つけ、理解した。デイサロトはこの「光スイッチ」を実際の神経細胞に組み込み、光遺伝学へと発展させた。
この一瞬の差で、今日の脳を利用する全体的な研究システムが生まれた。
参考リンク：
[1]
https://med.stanford.edu/profiles/karl-deisseroth
[2]
https://brainprize.org/winners/optogenetics-2013/peter-hegemann
[3]
https://www.biologie.hu-berlin.de/de/gruppenseiten/expbp/groupmembers/prof.-hegemann-peter