「匂いを感じる」とニューロン集団を活性化し特定の嗅覚パターンを作る

ストワーズ医学研究所の研究チームは、生得的な価値観として知られるこの能力がどのようにコード化されているかを明らかにしました。
感覚入力が1つのニューロンだけでなく、ニューロンの集団を活性化し、特定の匂いとして解釈するパターンを作り出す事などが判明しました。

This odd phenomenon is not just disconcerting. It also represents the disruption of the ancient olfactory circuitry that has helped to ensure the survival of our species and others by signaling when a reward (caffeine!) or a punishment (food poisoning!) is imminent.

参照元：https://www.stowers.org/news/decoding-smell
– ストワーズ医学研究所 Stowers Institute for Medical Research. March 29, 2021 –

パンデミックが始まって以来、嗅覚障害はCOVID-19の特徴的な兆候の1つとして浮上しています。

ほとんどの人は数週間以内に嗅覚を取り戻しますが、他の人は慣れ親しんだ匂いが歪んでしまうことがあります。

コーヒーがガソリン臭くなったり、バラがタバコ臭くなったり、焼きたてのパンが腐った肉臭くなったりします。

このような奇妙な現象は、単に不快感を与えるだけではありません。

報酬（カフェイン！）や罰（食中毒！）が迫っていることを知らせることで、我々の種や他の種の生存を保証してきた古代の嗅覚回路が破壊されたことを意味しています。

動物は先天的に特定の匂いを認識して、捕食者を避けたり、食べ物を探したり、交尾相手を見つけたりする能力を持っていることは、以前から科学者に知られていました。

今回、Stowers Institute for Medical ResearchのYu研究室の研究者らは、2つの関連研究において、生得的な価値観として知られるこの能力がどのようにコード化されているかを明らかにしました。

Current Biology誌とeLife誌に掲載された今回の研究成果は、私たちの嗅覚が、これまで考えられていたよりも複雑で、変化しやすいものであることを示しています。

感覚がどのようにコード化されるかについての現在の理解は、ラベル線理論とパターン理論という2つの矛盾した見解に分類されます。

ラベルライン理論では、感覚信号は、入力と行動を結ぶ固定された直線に沿って伝達されると考えられています。

一方、パターン説では、感覚信号は異なる経路や異なるニューロンに分散して伝達されると考えられています。

昆虫のような単純な種では、標識線説を支持する研究もあります。

ストワーズ研究所の研究員で、今回の報告書の共同執筆者であるRon Yu博士は話します。

「昆虫のような単純な生物では、標識線説を支持する研究結果もありますが、哺乳類のシステムでは、標識線説を支持する証拠も反対する証拠もありませんでした。」

Yu氏によると、もしラベルラインモデルが正しいのであれば、1つの匂いから得られる情報は、他の匂いの影響から遮断されるはずです。

そこで研究チームは、さまざまな匂いを混ぜ合わせて、予測されるマウスの自然な反応に与える影響を調べました。

「簡単な実験です」と語るのは、Yu研究室の研究員で、今回の研究の筆頭著者であるQiang Qiu博士です。

Qiu氏は、生得的に魅力的なにおい（ピーナッツバターのにおいや他のマウスの尿のにおいなど）と嫌悪的なにおい（食べ物が腐ったにおいや捕食者の尿のにおいなど）のさまざまな組み合わせを用意しました。

そして、研究室が特別に設計した装置を使って、それらの匂いの混合物をマウスに提示しました。

この装置にはノーズコーンが付いていて、マウスが匂いを調べる回数を記録することができます。

ある混合物を魅力的だと感じたマウスは、鼻をコーンに何度も突っ込みます。

一方、嫌悪感を覚えると、マウスは鼻栓を避けて通ります。

ところが驚いたことに、2種類の魅力的なにおいや2種類の嫌悪的なにおいなど、異なるにおいを混ぜると、マウスの生得的な行動反応が消えてしまうことがわかったのです。

Yuは話します。

「これは単に、ある匂いが別の匂いを隠しているだけではないかと考えました。香水業界では、不快な匂いを隠すために心地よい匂いを開発することがよくあります。しかし、嗅球の中にある、嫌なにおいと魅力的なにおいに反応するニューロンの活動を調べてみると、そうではないことがわかったのです。」

むしろ、混合臭を表す活動パターンは、個々の臭気の場合とは明らかに異なっていました。

どうやらマウスの脳は、2つの匂いの組み合わせではなく、混合物を新たな匂いの正体として認識したようです。

この発見は、感覚入力が1つのニューロンだけでなく、さまざまな程度のニューロンの集団を活性化し、特定のにおい（コヨーテの尿！逃げろ！）として解釈されるパターンまたは集団コードを作り出すという、パターン理論を支持するものです。

この研究は、2021年3月1日付で「Current Biology」誌のオンライン版に掲載されました。

しかし、この複雑な神経コードは、生まれたときから刷り込まれたものなのか、それとも新しい感覚体験によって影響を受けるものなのか。

Yu氏のチームは、マウスが生後1週間という早い時期に感覚ニューロンを沈黙させることで、この疑問を探りました。

その結果、操作したマウスは、魅力的なにおいや嫌なにおいを認識する生得的な能力を失っていることがわかりました。

これは、嗅覚システムが、発達の重要な時期にはまだ変化しやすいことを示しています。

興味深いことに、この時期のマウスにヤマネコの尿に含まれるPEAという化学成分を作用させると、後になってもその匂いを避けなくなることがわかりました。

Yu氏は話します。

「マウスは、母親と一緒にいるときに安全な環境でこの匂いに遭遇し、それが危険ではないことがわかったので、もうその匂いを恐れないことを学んだのです。」

この研究結果は、2021年3月26日にeLifeに掲載されました。

COVID-19のパンデミックにより、何百万人もの人々の嗅覚が変化していますが、Yu氏は、この病気から回復した大人のほとんどには大きな影響がないと予測しています。

しかし、多くの匂いが社会的なつながりや精神的な健康に果たす役割を考えると、このような感覚の変化は、感染した乳幼児や子供に大きな影響を与える可能性があると彼は考えています。

Yu氏は話します。

「嗅覚には強い情緒的要素があります。例えば、家庭料理の匂いを嗅ぐと、心地よさや安全性を感じることができます。ほとんどの人は、嗅覚を失うまで、その重要性を認識していません。」