「馴化・脱馴化」の版間の差分

[[image:馴化・脱馴化1.png|thumb|350px|'''図1．アメフラシ鰓引き込み反射（GWR）の馴化・脱馴化の実験系（小倉原図）'''<br>左：実験の準備。アメフラシの仮足と外套を糸で牽引し、鰓を露出させる。鰓の下に光センサを置く。右：行動記録。水管や仮足などに非侵害的な刺激（水流）を与えると、GWRが起きる。鰓が収縮すると光センサが受ける光量が増し、センサの出力が増す。非侵害刺激を繰り返すとGWRは弱化する（馴化）。馴化したあと、頭部などに侵害刺激（刺突）を与えると馴化は解除され、その後、非侵害指摘に対してもGWRの強化状態が続く（脱馴化）。]]

[[image:馴化・脱馴化2.png|thumb|350px|'''図2．アメフラシ鰓引き込み反射（GWR）の調節に関わる神経回路（小倉原図）'''<br>腹部神経節には、鰓牽引筋を支配する運動ニューロン(MN)、これを起動する触覚ニューロン(TS)、TS-MN間シナプスを調節する抑制性介在ニューロン(II)および興奮性介在ニューロン(EI)、EIを起動する侵害感覚ニューロン(NS)などがある。仮足、外套、水管などへの非侵害刺激は、当初はTS-MN間シナプスを介してGWRを起こすが、繰り返しによってIIによる抑制が強まり、GWRは弱化する（馴化）。しかし、侵害刺激でNSが活動すると、EIの活動を介してGWRは再強化される（脱馴化）。]]

　軟体[[動物]]アメフラシ (Aplysia [[SP|sp]].<ref name=ref1>米国で主として用いられるのは''Aplysia californica''だが、地中海の研究者は''A. fasciata''、日本の研究者は''A. kurodai''を用いることが多い。主なニューロンは種を超えて同定可能である。</ref>) は、温帯域の潮だまり(タイド・プール)に生息する動物で、無刺激時、水管から水を[[取り入れ]]、鰓(えら)を広げて呼吸しているが、体表（水管や仮足）に刺激を受けると、水管や鰓をすばやく外套腔内に引き込む防御反射を示す。これを水管引き込み反射（siphon withdrawal reflex; SWR）や鰓引き込み反射 (gill withdrawal reflex; GWR) とよぶ。

　しかし、周期的に打ち寄せる波のように、刺激が非侵害的で一定間隔で反復されるようなものであると、しだいに防御反射は弱化し、やがてほとんど示されなくなる（図1）。この現象を馴化（habituation）とよぶ<ref name=ref2>GWRの馴化・脱馴化（後述）の記念すべき初報告は、以下のScience誌3連報で、それ以降の多数の論文の要点は、ここにほとんどすべて押さえられている。</ref> <ref name=ref2-1><pubmed>5416541</pubmed></ref> <ref name=ref2-2><pubmed>5416542</pubmed></ref> <ref name=ref2-3><pubmed>5416543</pubmed></ref>。[[ヒト]]の行動について日常用語でいう「馴れ」と行動表現上似ているため、この現象も「馴れ（慣れ）」の語でよぶ研究者も多いが、機構的にも相同かどうかはわからないので、本稿ではあえて別語を用いる。

　アメフラシの神経系は、1920年代から仏ミシェル・パシャ海洋研究所 (L’Institut de Biologie Marine Michel Pacha) のAngelique Arvanitaki (1901-1983) らによって、解剖学的・生理学的に詳しく研究されており、腹部[[神経節]]のいくつかの大型ニューロンについての同定（個体の別を問わず、同じ位置に同じ性質・機能をもつ細胞があると確認され、名づけが行われること）もなされていた<ref name=ref3><pubmed>13303604</pubmed></ref>。また、パリのマレイ研究所 (L’Institut Marey de Paris) のLadislav Tauc (1926-1999) によってGWRにかかわる神経回路の同定もなされていた<ref name=ref4><pubmed>13307464</pubmed></ref>。

　1962年、米ニューヨーク大学の研修医Eric Richard Kandel (1929-) はパリにTaucを訪ねてアメフラシの生理学研究技術を学び、以後ニューヨーク大学、コロンビア大学においてこれを発展させて、馴化、および後述の脱馴化の機構を分子レベルにまで掘り下げた。その業績によりKandelは2000年度のノーベル医学・生理学賞を受賞した<ref name=ref5>同時受賞者はArvid Carlsson (1923－; ドーパミンの神経伝達物質としての同定とパーキンソン病の病理)とPaul Greengard (1925－; 細胞内二次信号物質としての環状AMPの同定) である。したがって、Kandelの受賞には、記憶（シナプス可塑性）の解析というより、環状AMPカスケードの生理学的実証、というニュアンスが強い。</ref>。

　SWRやGWRは、[[脊椎動物]]の肢[[屈曲反射]]の反射弓などと同様、感覚ニューロンと[[運動ニューロン]]との間の単[[シナプス]]反射である。体表の[[触覚]]ニューロン（TS）の細胞体は腹部神経節にあり、たとえばL28と名づけられた細胞などが代表的である（もちろん他にも多数ある）。TSはその[[軸索]][[膨大部]](ボタン)で、同じく腹部神経節内で鰓牽引筋の運動ニューロンL7（もちろん他にもある）と接触し、[[グルタミン酸]]作動性の[[興奮性シナプス]]結合をつくっている（図2）。

　馴化は、このシナプスで、反復刺激による伝達の弱化として起こる。L7から細胞内記録を行いながら、体表への非侵害的刺激（水の吹きかけ）を行うとEPSPが記録されるが、反復によって次第に振幅は縮小する。また、TSの電気刺激によるL7の誘発EPSPも、反復によって縮小する<ref name=ref2 />。TSの細胞内記録を行うと、パルス刺激によって誘発されるTSの活動電位は、[[CA2|Ca2]]+依存性のプラトー相の持続時間が反復刺激によってしだいに短縮していく。TSの細胞体での現象がボタンでも同様に起こっているとするなら、これによって伝達物質放出の漸減を説明できる。一方、L7への伝達物質直接投与による誘発脱分極の振幅は変わらない<ref name=ref6><pubmed>4373738</pubmed></ref>。

　TS活動電位のプラトー相の持続時間は、[[Kチャネル]]の活性によって決まるから、Kチャネルの活性化が起きていると考えられる<ref name=ref7>'''Kandel E R'''<br>学習の分子生物学を目指してI<br>''科学'' 51:10-15 (1981)</ref> <ref name=ref7-1>'''Kandel E R'''<br>学習の分子生物学を目指してII<br>''科学'' 51:109-115(1981)</ref> <ref name=ref7-2><pubmed>6289442</pubmed></ref>。

　非侵害刺激によるSWRやGWRの縮小は、刺激を中止すると効果は数時間内に消えてしまう。しかし、適当な間隔をおきながら馴化訓練を繰り返すと、持続時間は次第に延長する<ref name=ref8><pubmed>17731371</pubmed></ref>。このとき電子顕微鏡観察すると、感覚ニューロンのボタンの放出帯（active zone）の長さや vesicle数が減少していた<ref name=ref9><pubmed>6828885</pubmed></ref>。そうした個々のボタンでの調節に加えて、ボタン数自体の減少も見出された<ref name=ref10><pubmed>3353385</pubmed></ref>。また、短期の馴化が感覚ニューロン（[[シナプス前]]細胞）側のみの変化であるのに対し、長期馴化には運動ニューロン（シナプス後細胞）側の変化もみられた<ref name=ref11><pubmed>19332142</pubmed></ref>。これらの変化は、単独でも伝達の減弱を説明できるので、そのうちのいずれが正しいのか、いずれもそれぞれ正しいのかは、決着していない。

　上述のように、TSの活動電位短縮は細胞体での観測結果であり、[[シナプス前部]]位（軸索膨大部(ボタン)）で同じ現象が起きている保証はない。これは1980年代にはかなり「痛い」指摘で、真正面から答えるのは現在でも難しいが（[[パッチクランプ法]]では、電極内液＝細胞内液の組成は実験者が決めるので、結果も解釈も実験者に依存してしまう）、たとえばCaイメージングによって、活動電位に伴うボタン内Ca2+濃度上昇の規模が縮小していることが確かめられた<ref name=ref12><pubmed>1976321</pubmed></ref>ことなどから、おそらく正しいものと考えられている。

　活性化するKチャネルの本体がどの種のKチャネルかは、未確定である。後述の脱馴化がS型Kチャネル（の不活性化）によることから、馴化がS型Kチャネル（の活性化）によっているなら、シナリオが一続きになって好都合で、それを主張する報告はある<ref name=ref13><pubmed>2433600</pubmed></ref> <ref name=ref13-1><pubmed>2442363</pubmed></ref>。しかし、伝達物質放出の減少には、Kチャネル活性化による活動電位の短縮より、むしろ電位依存性[[Caチャネル]]の不活性化によるCa2+流入の減少によるところが大きいという見解も有力である<ref name=ref14><pubmed>2443695</pubmed></ref> <ref name=ref14-1><pubmed>2174573</pubmed></ref>。もしそうなら、馴化と脱馴化は、機能的には鏡像的でも、機構的には鏡像的ではないことになる。

　調節の標的がCaチャネルであれKチャネルであれ、その調節機構についても不明な部分が残されている。現象生起の時間経過からは、Ca2+などの細胞内リガンドによる速い調節よりも、リン酸化・脱リン酸化を含むタンパク修飾による、遅い調節の可能性が高い。すると、その調節装置を活性化する信号は何かが問題になる。腹部神経節にはFMRFアミド（[[神経ペプチド]]）を含む[[抑制性]]介在ニューロンが含まれている。FMRFアミドを運動ニューロンに投与すると、[[ホスホリパーゼ]]A2の活性化とアラキドン酸の生成が起こる。アラキドン酸ないしその代謝物は、[[逆行性伝達物質]]としてシナプス後細胞からシナプス前細胞に達し、Caチャネル、Kチャネルを調節するという見解があり<ref name=ref12 />、一定の支持をえている。

　非侵害的刺激の反復によってGWRが馴化したあと、侵害的な刺激（たとえば頭部への刺突、電撃など）を加えると、GWRは再び増大する<ref name=ref2 />。これを馴化の解除とみて「脱馴化」または「脱・慣れ」（dishabituation）とよぶ（図1）。

　馴化は入力刺激特異的だが（GWRを水管刺激に馴化させても仮足刺激には馴化しない）、脱馴化は非特異的である。また、侵害刺激はあらかじめ馴化していないナイーブ個体のGWRも（SWRも）強化する。そこで、鋭敏化（sensitization）という表現もなされる。しかし、馴化した反射の再強化である脱馴化と、非特異的な防御反射の強化である鋭敏化とは、定義上異なるだけでなく、機構的にも異なる可能性がある<ref name=ref15>脱馴化が、馴化の上に鋭敏化が重なった「見かけ上の打消し」であるならば、脱馴化の時間経過と、馴化なしの鋭敏化の時間経過とは同じはずであるが、実際は異なる。ここから、脱馴化と鋭敏化は別の現象だとの見解が生じる。</ref> <ref name=ref15-1><pubmed>16705138</pubmed></ref>。

　侵害刺激の情報は、[[セロトニン]]作動性介在ニューロンによって、触覚ニューロン－運動ニューロン間のシナプスに届けられる。具体的には、触覚ニューロンの軸

 

　詳述すると、ボタン膜上の[[セロトニン受容体]]はGタンパク共役型で、セロトニンの結合でアデニル酸シクラーゼ（AC）を活性化し、ボタン細胞質で[[ATP]]を環状AMP（[[cAMP]]）に変換する。cAMP濃度の上昇は、cAMP依存性蛋[[白質]]キナーゼ（[[PKA]]）を活性化し、PKAはKチャネルの一種をリン酸化して不活性化する（セロトニンで調節されるという意味でS型Kチャネルとよぶ）<ref name=ref16><pubmed>2578623</pubmed></ref>。Kチャネルは、活動電位の終了に関わるので、その不活性化はボタン膜活動電位のプラトー相を延長し、その結果伝達物質の放出量は増して、鰓牽引筋運動ニューロンのEPSPは増大・延長する。

　この脱馴化も、1回では短期可塑性にとどまる。しかし馴化の場合と同様、これを繰り返すことで、持続時間が漸増する。つまり、長期化が起こる<ref name=ref17><pubmed>4748675</pubmed></ref>。これにも、前述の長期馴化の場合と同様、各ボタンレベルの変化（小胞の増加、放出帯の延長）<ref name=ref9 />と、ボタン数自体の変化（増加）<ref name=ref10 />が提唱されている。構造変化であれば、当然ながらタンパク合成に依存し、骨格分子<ref name=ref18><pubmed>3041225</pubmed></ref>、[[接着分子]]<ref name=ref19><pubmed>1585176</pubmed></ref>などの合成が伴うはずで、そうした報告もある。しかし、これらが長期化の原因か結果かと問うならば、むしろ結果であろう。原因分子の特定は難しい。短期の脱馴化の機構（cAMP、PKA、[[CREB]] [PKAによるリン酸化で活性化する[[転写因子]]]）との分離が難しいためである。

　[[哺乳類]]の記憶の長期化（固定）に繰り返しが重要なことは、日常の体験からも知れるが、この繰り返しの意義についても未解明な点が多い。アメフラシの長期脱馴化で最近、1回目の脱馴化刺激時と2回目の脱馴化刺激時では、細胞応答が異なるという報告がなされた<ref name=ref20><pubmed>22893682</pubmed></ref>。哺乳類脳における繰り返し依存的な構造可塑性<ref name=ref21>'''小倉明彦、冨永恵子'''<br>''科学'' 84:256-262.（2014）</ref>との異同に関心がもたれる。

　動物の記憶を、「経験による行動の変化」と定義するなら、馴化・脱馴化も記憶の範疇に入る。しかし、アメフラシのGWRは、腹部神経節内に生得的に（つまり事前に）組み込まれていた「馴化した状態」と「脱馴化した状態」の2状態間の切替えとみることもできる。アメフラシのGWRとほぼ同時期に解析されたDaniel L. Alkonらのミノウミ[[ウシ]]走光性抑制反応<ref name=ref22>ミノウミウシ（''Hermissenda crassicornis''）も潮溜りに住む昼行性の軟体動物で、明暗をつけた円盤上に乗せると、明部に向かう。このとき、荒天を模擬して円盤を揺動させると、この走光性行動は抑制される。その抑制状態は、揺動を止めても数十分間持続する。これを一つの記憶とみなして解析したDaniel Alkonは、次のような機構を証明した。ウミウシの光受容器ニューロンには、もともと走光性を促進する回路につながるA型受容器と、抑制する回路につながるB型受容器の2種類があり、通常はA型受容器経路が優位なため、走光性が発現する。いっぽう、振動受容器（平衡胞）経路からはセロトニン作動性の繊維がB型受容器に達しており、搖動があるとB型受容器の出力が増強される。その結果走光性の発現が抑制される。このセロトニンによる伝達物質放出増強の図式は、アメフラシの脱馴化と同じである。</ref> <ref name=ref22-1><pubmed>3534645</pubmed></ref> <ref name=ref22-2><pubmed>   2108074</pubmed></ref>も同様で、ウミウシが生得的に備えている2つの行動パターン間の切替えであった。

　これに対して、哺乳類の記憶研究者は、記憶の定義の重要な要素として「生得的ではない行動の獲得」を考える。実験者が[[マウス]]に[[迷路]]を走らせるとき、マウスの脳内にその迷路があらかじめビルトインされているはずはない。にもかかわらずマウスがそれを記憶できるのは、神経系内に前もって存在しなかった新たな情報流路が形成される（流路変化の機構が既存シナプスでの伝達強化・弱化の総和であれ、シナプスの新生・廃止などの構造的変化であれ）からこそ可能だ、と考えるのである。これは、アメフラシGWRの馴化のようなあらかじめ準備された行動間の切替えとは様相が異なる。