発火タイミングに基づく匂い識別の仕組みを解明 －匂いの濃度が変わっても感じる匂いが変わらないのはなぜか？－

図1 哺乳類の嗅神経細胞と僧帽細胞における匂い情報処理
上段）哺乳類では、匂いはまず嗅上皮の嗅神経細胞によって検出される。嗅神経細胞は、ヒトで約400種類、マウスで約1,000種類あり、それぞれ異なる匂い分子の検出を行っている。嗅神経細胞の軸索は嗅球の糸球体という構造で、次の神経細胞である僧帽細胞の樹状突起に連絡している。
下段）匂い分子は呼吸サイクルごとに鼻腔に取り込まれて受容されており、特定の種類の嗅神経細胞を発火させる。僧帽細胞では多くの糸球体で発火頻度の上昇が観察されるが、同時に発火タイミングの変化（呼吸サイクルに対して前進もしくは遅延）が起こることも知られている。今回の研究では、2光子カルシウムイメージングによって発火の波を捉え、波の立ち上がりの点を発火タイミングと定義して解析を行った（右の枠内）。

図2 マウス僧帽細胞において観察される匂い刺激に対する発火タイミングの安定性
A）発火頻度と発火タイミングの経時的な安定性。マウスに20呼吸サイクルにわたって同じ匂いを嗅がせると、発火頻度は次第に変化していき、最初と最後のサイクルにおける発火頻度パターンは大きく異なってくる。一方、発火タイミングに着目すると、最初から最後まで常に一定に保たれている。
B）匂いの濃度による発火頻度と発火タイミングの変化。マウスにさまざまな濃度の匂いを嗅がせると、発火頻度は濃度によって大きく変化する。一方、発火タイミングは濃度を変化させてもほとんど変化しない。
C）動物が匂いの源を見つける場合、繰り返しその匂いを嗅いで探索する必要がある。発火頻度は、繰り返し匂いを嗅いだり途中で濃度が変化したりすると、そのパターンが変化する（例えば、リンゴの匂いがリンゴでなくなる）。一方、発火タイミングに着目すると、ほとんど一定に保たれている（リンゴの匂いは濃くても薄くても、時間が経ってもリンゴ）。こうしたことから、動物は発火タイミングに基づいて匂いの種類を同定しており、これが安定なために混乱することなく匂いの探索が可能になっていると考えられる。

図3 僧帽細胞における発火の波と発火タイミングに基づく匂い情報表現
A）呼吸に伴う機械刺激によって生じる発火の波。異なる糸球体で呼吸によって生じる発火の波を観察したところ、糸球体ごとに異なるタイミング（位相）で発火の波が生じることが分かった。
B）機械刺激によって生じる発火の波がある条件とない条件とで、匂いに対する僧帽細胞の応答を観察した。機械刺激による発火の波がない条件では、発火のタイミングが毎回同じにならない（図は同一条件で行った6回の結果を示す）。すなわち、機械刺激の入力があった方が正確に発火タイミングを刻むことができる。図ではカルシウムイメージングのデータを波形で、立ち上がりのタイミング（発火のタイミング）を縦線で示している。
C）呼吸の吸気速度を上げても発火のタイミングは変化しないが、匂いを嗅いだときだけ発火のタイミングが変化する。この発火タイミングが匂いの種類を反映していると考えられる。一方、機械刺激によって生じる発火の波をなくすと、発火タイミングを何度も続けて正確に刻むことができなくなる。すなわち、機械刺激による発火の波は、匂いの種類を安定的に表現するためのいわばペースメーカーとして重要な役割を担っていると考えられる。