生きたゼブラフィッシュの全身で細胞シグナルを追う「WHOLISTIC」

生理機能は、臓器ごとに独立して動いているわけではありません。神経活動、血液循環、消化、感覚応答は同時に変化し、互いに影響し合います。しかし従来の生体イメージングでは、観察対象は一つの組織や臓器に限られることが多いのが実情でした。

HHMIジャネリアの研究チームが開発したWHOLISTIC（WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity）は、この隔たりを埋めようとする技術です。透明な幼生ゼブラフィッシュを用い、高速3次元蛍光イメージング、遺伝子導入型カルシウムセンサー、計算解析を統合。全身の細胞活動の時間変化を秒単位で捉えます。2

WHOLISTICは何を見ているのか

対象となるのは、体が透明で内部組織を光学的に観察しやすい幼生のゼブラフィッシュ（Danio rerio）です。細胞に広くカルシウムセンサーを発現させ、蛍光の変化を細胞内カルシウム動態の指標として読み取ります。

カルシウム活動は、細胞の状態変化を知るうえで有用な手がかりです。ただし、これは細胞同士の直接的なシナプス結合を測ったものではありません。また、ある細胞の反応が別の細胞の反応を引き起こしたという因果関係を、それだけで証明するものでもありません。2

この手法の核となるのは、次の統合です。

• 3次元蛍光イメージング：一枚の断面ではなく、個体の立体的な像を繰り返し取得する。2
• 全細胞型のカルシウム標識：ニューロンに限らず、さまざまな細胞種・臓器系の活動を観察する。2
• 計算処理と機械学習：活動を示す細胞構造を見つけ出し、巨大な記録データを解釈可能なパターンに整理する。2

これにより、同じ実験の中で、複数の臓器にまたがる活動の候補的なつながりを探せるようになります。重要なのは、全身を「別々の部品」ではなく、協調して動く系として観察できる点です。2

全身を同時に見ると、何が見えたのか

低酸素で起きる血流の再配分

低酸素条件では、循環の変化に伴う協調的な活動が確認されました。WHOLISTICのギャラリーでは、低酸素時に腸間膜領域の血流が減る一方、脳と心臓へ向かう血流が増える様子が示されています。8

このような観察は、神経系と心血管系の反応を一つの個体で結び付けて調べる道を開きます。生命維持に重要な臓器への酸素供給を優先する全身的な応答と整合的ですが、正確な因果回路を特定するには、標的を絞った追加実験が必要です。28

脊髄と上衣細胞の協調した動き

WHOLISTICは、脊髄内の協調的な動態に加え、脳室系を覆う上衣細胞でも活動を捉えました。これは、従来のニューロン中心の活動地図だけでは見えにくいパターンです。2

状態に連動した上衣細胞の活動は睡眠関連の生理に関わる可能性を示す仮説の候補ですが、カルシウム活動の相関だけから睡眠機能を結論づけることはできません。WHOLISTICは、こうした候補を全身から見つけ、その後に選択的な介入実験で検証するための足場になります。2

ケタミンの反応は神経組織だけにとどまらない

薬剤への反応は、複数の細胞種や解剖学的区画にまたがることがあります。急性のケタミン曝露を調べた実験では、神経組織だけでなく、脳を包む髄膜にも関わる反応が観察されました。2

これは、ニューロンだけを測定する手法では、隣接する非神経組織の変化を見落とし得ることを示す例です。全身イメージングなら、組織の境界をまたぐ薬剤反応も同じ実験で追跡できます。2

冷却で反応した軟骨関連細胞

冷却実験では、軟骨に関連する細胞でもカルシウム応答が見つかりました。この結果は、温度に結び付いた活動が神経系に限定されない可能性を示すとともに、非神経組織に予想外の感覚的役割の候補があることを浮かび上がらせます。2

なぜ重要なのか：全脳イメージングを「全身」へ

ゼブラフィッシュでは、透明な脊椎動物を使って脳全体の神経活動を大規模に記録する全脳イメージングが、すでに研究を大きく進めてきました。WHOLISTICは、その視野を脳の外へ広げ、複数の臓器系と細胞種を同時に扱おうとするアプローチです。52

これにより、ストレス下で脳が循環をどう調整するのか、薬が神経組織と非神経組織にどう作用するのか、従来の神経経路の外で感覚シグナルがどう表現されるのか、といった問いに取り組みやすくなります。

もっとも、この技術が提供するのは完成済みの因果地図ではありません。全身の活動地図から、次に検証すべき関係性を見つけ出すことが強みです。2

次の候補は成体でも小さいダニオネラ

ジャネリアは、先端顕微鏡と計算解析を基盤とするリソースとしてWHOLISTICを紹介しており、低酸素に伴う血流変化などの可視化データも公開しています。28

将来のモデルとして注目されるのが、成体になっても非常に小さい魚類のDanionella（ダニオネラ）です。成体でも脳全体の神経活動を記録できる可能性があり、より発達した行動レパートリーの研究に役立つと期待されています。11 また、ジャネリアの全身拡大顕微鏡法は、成熟したダニオネラ試料にも対応すると報告されています。4

最後に、もっとも大切な留意点があります。カルシウムイメージングが示すのは、主として相関した細胞動態です。直接の結合、個々の分子機構、因果関係のすべてを単独で明らかにするものではありません。それでもWHOLISTICは、生きた脊椎動物で臓器横断の仮説を観察可能にした、重要な一歩といえます。2