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

• 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。

　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。

（※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。

掲載誌：Communications Biology
タイトル：Mechanism of sensory perception unveiled by simultaneous measurement of membrane voltage and intracellular calcium.
著者名：Tokunaga T, Sato N, Arai M, Nakamura T Ishihara T
DOI：10.1038/s42003-024-06778-2

• 本件の詳細についてはこちら

理学研究院　石原健　教授