ノーベル医学賞の光遺伝学：藻の部品を借りて、脳の細胞に光のスイッチを付ける

ニュースでは、脳の一部が色づいた画像がよく使われます。
あの色は、その場所が働いていることを示します。ただ、そこが行動を引き起こしているのかまでは分かりません。10月5日、2026年のノーベル医学賞は、それを確かめる道具「光遺伝学」を開いた3人に決まりました。藻の仕組みを予想したヘーゲマン氏、光で開く門を確かめたナーゲル氏、それを脳の細胞で使ったダイセロス氏です。光遺伝学は、狙った神経細胞に光のスイッチを付ける方法です。脳の細胞に光のスイッチを付けると、何が分かるのでしょうか。

そもそも神経細胞は、電気で情報を伝えている

脳の中で情報をやりとりしているのは、たくさんの神経細胞です。神経細胞の表面には、電気を帯びた小さな粒（イオン）が通る道があります。その道が開いてイオンが流れ込むと、細胞に電気が走ります。これが信号です。たとえるなら、細胞の壁についた小さな門のようなものです。

また、神経細胞には、役割の違う種類がたくさんあります。光が当たると開く門を、調べたい種類の神経細胞にだけ付けるのが、光遺伝学です。すると光を当てた瞬間に、門を持つ細胞だけが働きます。なお、門をどうやって付けるのかは、後で説明します。

これまでのやり方では、どの細胞が行動を起こしたのか分からなかった

これまでの研究は、電気を測る、薬を使う、画像で見る、といったやり方で、脳の活動と行動が一緒に起きることを示してきました。ただ、一緒に起きているだけでは、どちらが原因かは決められません。たとえるなら、雨の日に傘を差す人が多くても、傘が雨を降らせているわけではないのと同じです。

では、どうすれば確かめられるのでしょうか。答えは、調べたい細胞だけを動かして、行動が変わるかを見ることです。ただ、それには難しい点が2つありました。

まず、隣り合う神経細胞が、逆の働きをすることも多いのです。そのため、場所ごとにまとめて動かすと、細胞ごとの役割を見分けられません。次に、信号は1,000分の1秒単位で進みます。薬のように、届いて働き始めるまで時間がかかる手段では、追いつけません。そして、その精度と速さを持ち、しかも外から薬のような物質を足さずに使える道具は、まだありませんでした。

ヒントは、光の方へ泳ぐ藻が持っていた

緑藻のクラミドモナスは、体にある小さな点で光を感じ、光の方へ泳ぎます。ヘーゲマン氏が測ると、光が届いてわずか0.5ミリ秒（1,000分の0.5秒）後に電気が生じていました。一方、人の目は、光を受けてからいくつもの段階を経るので、少なくとも10ミリ秒かかります。つまり藻の反応は、人の目より20倍以上速いのです。

そこでヘーゲマン氏は1990年代初めに、ある仮説を立てました。タンパク質は、細胞の中で働く部品のようなものです。光を受け取る部分とイオンの門が、1つのタンパク質のまとまりになっているのではないか、という考えでした。光を受けた部品がそのまま門を開けるなら、途中の段階がいらず、速く動けます。ただ当時は、光だけで開く門は知られておらず、この考えは疑いの目で見られました。

藻の設計図を入れると、ほかの生き物の細胞にも光で開く門ができた

2000年前後、ヘーゲマン氏らは、日本の研究者が公開した藻の遺伝子情報を調べました。遺伝子は、細胞がタンパク質を作るときの設計図です。すると、光を受ける部品として知られるタンパク質と、よく似た設計図が2つ見つかります。

ナーゲル氏は、その設計図をカエルの卵の細胞に入れてみました。設計図が本当に光で開く門を作るのかを、確かめるためです。すると、細胞に光で開く門ができました。この門は、チャネルロドプシンと名付けられます。名前は難しいですが、光で開く門のことです。

2つのうち2つ目のチャネルロドプシン2は、光を当ててから1,000分の1秒もたたずに開きます。人の腎臓の細胞に入れても、同じように光で門が開きました。この結果は2003年に発表されています。

光で細胞を動かそうとしたそれまでの方法は、何段も中継するため遅いか、物質を外から細胞に届ける必要がありました。これに対してチャネルロドプシンは、設計図として細胞に入れておけば、1個で光を受けて門を開きます。中継がないので、神経細胞が信号を出す速さに追いつけるのです。

青い光でスイッチを入れると、マウスのヒゲが動いた

ダイセロス氏の研究室は2005年、チャネルロドプシン2をラットの神経細胞に入れました。そして青い光を当てると、神経細胞はすぐに反応しました。1年のうちに、別の研究室からも、同じように光で神経細胞を動かせたという報告が出ています。

2007年には、ダイセロス氏の研究室が生きたマウスで試しました。体の動きを受け持つ脳の場所で、特定の種類の神経細胞にチャネルロドプシン2を入れます。そして細い光ファイバーで光を当てると、マウスのヒゲが動きました。つまり、光でスイッチを入れた細胞が、ヒゲの動きを起こしたのです。こうして、細胞と行動のつながりを確かめられるようになりました。

まとめ

• 2026年のノーベル医学賞は、光遺伝学を開いたダイセロス氏、ヘーゲマン氏、ナーゲル氏に決まった
• 光遺伝学は、光で開く門を神経細胞に付け、光を当ててスイッチを入れる方法
• 見ているだけでは、どの神経細胞が行動を起こしたのか確かめられなかった
• 門のもとは、人の目より20倍以上速く光に反応する藻のタンパク質だった
• 2007年には、光でスイッチを入れた神経細胞がマウスのヒゲを動かした

チャネルロドプシンが道具になれたのは、光を受ける部分と門が1個のタンパク質にまとまっていたからです。設計図1つで、狙った細胞に届けられます。そして光を受けると、途中の中継なしに門が開き、イオンが一気に流れ込みます。だから、神経細胞が信号を出す速さに追いつけたのです。

受賞の内容と数字は、ノーベル賞の選考機関による発表と、一般向け解説、専門家向けの解説から取りました。