Research Results 研究成果
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？－
2017.12.07研究成果Life & Health
理化学研究所（理研）多細胞システム形成研究センター感覚神経回路形成研究チームの今井猛チームリーダー（九州大学大学院医学研究院教授）、岩田遼訪問研究員らの共同研究チームは、哺乳類の嗅覚一次中枢である嗅球において、匂いの情報が神経細胞の発火タイミングに基づいて識別される仕組みを明らかにしました。
ヒトは、鼻腔の嗅上皮に存在する約400種類の嗅神経細胞によって匂いを検出します。嗅神経細胞によって受容された情報は嗅覚一次中枢である脳の嗅球へと入力されますが、嗅球でどのような情報処理が行われて、匂いの認識に至るのかは十分に解明されていません。脳の神経細胞は、一過性の電気的活動である発火を用いて情報伝達を行います。感覚情報が脳に入力されると、情報を受け取った神経細胞は発火頻度や発火タイミングを変化させることが知られています。個々の神経細胞が情報をやりとりする上で、発火頻度の重要性は理解されていますが、発火タイミングの制御機構や役割についてはよく分かっていませんでした。
今回、共同研究チームは、匂い情報処理の一次中枢である嗅球の糸球体において僧帽細胞の活動を計測しました。その結果、発火頻度はダイナミックに変化していることが分かりました。一方、発火タイミングは極めて安定で、匂いの種類をより正確に区別できることが明らかになりました。匂い刺激がやってくると、僧帽細胞は匂いの種類に応じて、呼吸サイクルの特定のタイミングで発火します。匂いの濃度を変化させると、発火頻度は変化するものの、発火タイミングは変化しませんでした。さらに、嗅神経細胞には「機械刺激受容」という、呼吸に伴う空気の流れを検出する仕組みが備わっており、この入力がいわばペースメーカーとなって正確な発火タイミングが刻まれていることが分かりました。例えば、バナナの香りは近くで嗅いでも遠くで嗅いでもバナナに感じられるというように、匂いの質が濃度によって変わらない仕組みはこれまで大きな謎とされてきました。今回の結果は、匂いの濃度が変化しても種類が変わらないように感じられる理由の一つは発火タイミングが安定していることであることを示しています。今後、発火タイミングを厳密に制御する神経回路機構を解明することで、神経回路における演算原理の理解や脳情報の解読につながると期待できます。本研究成果は、米国の科学雑誌『Neuron』（12月6日付け：日本時間12月7日）に掲載されました。
本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業個人型研究（さきがけ）「末梢入力依存的に生じる神経回路形成のロジック」、日本学術振興会科学研究費補助金 若手研究A「嗅球における匂い情報の時間コーディングを支える神経基盤（研究代表者：今井猛）」、新学術領域「スクラップ＆ビルドによる脳機能の動的制御（研究代表者：榎本和生）」、特別研究員奨励費「匂い情報の時間コード化を実現する神経回路メカニズムの解明（特別研究員：岩田遼）」、ブレインサイエンス振興財団「匂い情報の時間表現を支える神経回路の解明」の支援を受けて行われました。
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。
- 本研究についての詳細は こちら
論文情報
Mechanosensory-Based Phase Coding of Odor Identity in the Olfactory Bulb ,Neuron,10.1016/j.neuron.2017.11.008