名古屋大学環境医学研究所の 山中 章弘 教授、山下 貴之 准教授らの研究グループは、科学技術振興機構（CREST、さきがけ、SICORP）の支援を受けて、東北大学大学院生命科学研究科の 八尾 寛 名誉教授、東京工業大学との共同研究で、光ファイバーを実験動物に刺入せず、ファイバーレスにて神経活動を操作する技術を開発しました。この方法により、実験動物が実験中に痛みを伴わないことから、今後、より一層、神経回路機能の解明に応用されることが期待されます。 光を用いて特定の細胞の機能を高い時間?空間精度で操作する光遺伝学^※１においては、特定の波長の光を感知して神経活動を操作する分子を、標的神経細胞に発現させることが必要です。

しかし、これらの分子はいずれも、生体透過性の低い可視光領域の光（400-600 nm）を感知する性質のため、体内の深部組織への光送達には光ファイバーの実験動物個体への接続と刺入が不可欠でした。しかし、光ファイバーの接続と刺入をすることは、実験動物の組織の損傷、実験中の行動の制限など、実験結果の解釈に影響が出ていました。

そこで、光ファイバーの刺入と接続に起因する種々の問題を解決するため、本研究グループは、生体透過性が高い近赤外光を用いるファイバーレス光遺伝学を開発しました。近赤外光で神経活動を操作するために、近赤外光をアップコンバージョン反応^※２によって可視光に高効率で変換するランタニドマイクロ粒子（LMP）^※３を用いました。アップコンバージョン反応とは、長波長の光を短波長の光に変換する反応のことであり、レアメタル元素であるランタニド類元素の組み合わせることにより、近赤外光（976 nm）を可視光（540 nm）に変換できることが知られています。このランタニドマイクロ粒子を脳内に微量注入し、生体外から近赤外光を照射することで、体内の深部組織において可視光を発光させ、その光によって神経活動を操作し、実験動物個体の行動を制御することが可能であることを示しました。本研究では、ランタニドマイクロ粒子の注入後約8 週間に渡って行動制御が可能であり、1 度の注入で長期間の行動実験が十分行えることも示しました。

本研究成果は、米国の科学雑誌「Cell Reports」に掲載されました（日本時間 2019 年1 月 23 日付けの電子版（掲載時間午前 1 時））。

【用語説明】

１．光遺伝学：特定の波長の光を用いて神経活動を高い時間空間精度で操作する実験技術。

２．アップコンバージョン反応：エネルギー状態の低い長波長の光を、エネルギー状態の高い短波長の光に変換する反応。

３．ランタニド：希土類元素、レアアースでありYb イットリビウム, Er エルビウム, Gd ガドリニウムなどの元素が含まれる。

図１：ランタニドマイクロ粒子（LMP）

図２：ランタニドマイクロ粒子によるアップコンバージョンを用いたファイバーレス光遺伝子の図解

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