論文まとめ271回目 Nature 肺の健康を守る独自の神経反射を発見！？など
科学・社会論文を雑多/大量に調査する為、定期的に、さっくり表面がわかる形で網羅的に配信します。今回もマニアックなNatureです。
さらっと眺めると、事業・研究のヒントにつながるかも。
世界の先端はこんな研究してるのかと認識するだけでも、
ついつい狭くなる視野を広げてくれます。
一口コメント
Anomalous electrons in a metallic kagome ferromagnet
金属カゴメ鉄磁体における異常な電子
「魔法の結晶で電子が普通じゃない動きをする！」
A vagal reflex evoked by airway closure
気道閉塞によって引き起こされる迷走神経の反射
「空気道が閉じると、我々の体は「ガスプ」と呼ばれる深く速い息を自動的にすることで、息苦しさを和らげようとする。この反応は、空気道の閉塞を感知する特別な神経細胞によって引き起こされます。」
East-to-west human dispersal into Europe 1.4 million years ago
140万年前のヨーロッパへの人類の東から西への拡散
「約140万年前、人類は東から西へとヨーロッパへ移動し始めました。この時期の人類の存在を示す証拠がウクライナ西部で発見されました。」
Integrated frequency-modulated optical parametric oscillator
統合された周波数変調光パラメトリック発振器
「まるで時計の精度を格段に高める魔法のように、新しい光のコームが測定技術を革新します。」
A concerted neuron–astrocyte program declines in ageing and schizophrenia
加齢と統合失調症における神経細胞とアストロサイトの協調プログラムの衰退
「人間の脳は、年齢と共にまたは統合失調症を患っていると、神経細胞とアストロサイト（脳細胞の一種）の間のチームワークが弱まり、これが認知機能の低下につながることがわかりました。」
Synthetic reversed sequences reveal default genomic states
合成逆順序配列が明らかにするデフォルトのゲノム状態
「人間の遺伝子の一部をバックワードにして酵母とマウスに入れてみたら、生き物が遺伝子情報をどう扱うかの大きな違いが見えてきました。」
要約
カゴメ格子の鉄磁性金属で見つかった異常な電子行動
この研究では、Fe3Sn2というカゴメ格子の鉄磁性金属において、通常の金属には見られない非フェルミ液体の振る舞いを示す電子が発見されました。
事前情報
一般的な金属では、電子は非相互作用するかのように振る舞うが、一部の材料はこの「フェルミ液体」の記述に当てはまらない。
行ったこと
Fe3Sn2のフェルミ面の近くに存在する特殊な電子ポケットを、最先端のレーザーを使用したマイクロフォーカス角度分解光電子分光法（µ-ARPES）で詳細に研究しました。
検証方法
DFT+U計算とµ-ARPESを組み合わせて、Fe3Sn2内の電子相互作用とバンド構造を解析しました。
分かったこと
低温と結合エネルギーの低さにより、フェルミ面の近くにある3つのC3対称性を持つ電子ポケットが発見され、そのうちの1つは他の2つから分離して形成されたもので、これはフラットバンドの存在による電子間相互作用の強化が原因と考えられます。
この研究の面白く独創的なところ
カゴメ格子構造の鉄磁性金属において、非フェルミ液体行動を示す電子を発見したことは、物質の新しい多体物理現象の探求への扉を開きます。
この研究のアプリケーション
この発見は、新しい電子デバイスの設計や量子コンピューティングの分野における素材の理解を深めるための基礎を提供します。
著者と所属
Sandy Adhitia Ekahana, Y. Soh, Anna Tamai, Daniel Gosálbez-Martínez, Mengyu Yao, Andrew Hunter, Wenhui Fan, Yihao Wang, Junbo Li, Armin Kleibert, C. A. F. Vaz, Junzhang Ma, Hyungjun Lee, Yimin Xiong, Oleg V. Yazyev, Felix Baumberger, Ming Shi, G. Aeppli
更に詳しく
Fe3Sn2という特殊な鉄磁性金属は、そのユニークなカゴメ格子構造により、電子間の強い相互作用と運動エネルギーの低減を促進します。この研究で注目されるのは、低温と低い結合エネルギーの条件下で現れる3つのC3対称性を持つ電子ポケットです。これらの電子ポケットのうち2つは密度汎関数理論（DFT）から予想されていましたが、3つ目の最も鮮明に定義されたバンドは、フェルミ面の近くに予測されるフラットバンドによる電子間相互作用の強化により、他の2つのポケットの一つから分離して低温で現れると考えられます。
非フェルミ液体の振る舞いとは、通常の金属（フェルミ液体）の理論で予測される性質から逸脱する電子の振る舞いを指します。フェルミ液体では、電子は非相互作用する粒子として振る舞い、その散乱はエネルギー準位のフェルミ面からの偏差に対して二次的になります。しかし、Fe3Sn2のカゴメ格子内で観測される非フェルミ液体の電子は、この通常の枠組みに収まらず、電子間の相互作用がその運動エネルギーに比べて非常に強くなることで、新しい状態や異常な伝導性を示します。
この研究での具体的な非フェルミ液体の振る舞いの一例としては、3つ目の電子ポケットが分数化現象によって生じることが挙げられます。これは、電子間相互作用が強いために、通常は一つの電子ポケットとして振る舞うはずの状態が、複数の独立した状態に分裂する現象です。これは、電子が単独の粒子としてではなく、多体系として相互作用する結果として起こります。この現象は、Fe3Sn2のような特殊な物質でのみ観測可能で、電子の標準的な理論で説明することが困難です。
この発見は、カゴメ格子を持つ鉄磁性金属における電子の振る舞いを理解する上で新たな光を投げかけ、フラットバンドや強い電子間相互作用が引き起こす多体物理現象の理解を深めることに貢献します。
肺の健康を守る独自の神経反射を発見
研究チームは、気道が閉じるときに迷走神経が活性化する特定の神経反射を発見しました。この反射は、肺の健康を維持するために重要です。
事前情報
多くの呼吸器疾患では肺容量が減少し、これが命に関わることがあります。迷走神経は呼吸機能を維持するために重要な役割を果たします。
行ったこと
研究チームは、気道閉塞時に特定の迷走神経細胞がどのように活動するかを観察しました。
検証方法
活動中の迷走神経節のイメージング、特定の神経細胞の刺激と除去、そして単一細胞RNAシークエンシングを用いました。
分かったこと
気道が閉じると、PVALBを発現する迷走神経細胞が活性化し、これがガスプ反応を引き起こすこと。また、PIEZO2を発現する肺上皮細胞がこの過程において重要であることが分かりました。
この研究の面白く独創的なところ
肺の機械感覚におけるNEB（神経上皮体）の重要性と、特定の迷走神経経路が気道閉塞を感知する仕組みを明らかにしたこと。
この研究のアプリケーション
この発見は、呼吸器疾患の治療法の開発に役立つ可能性があります。
著者と所属
Michael S. Schappe, Philip A. Brinn, Narendra R. Joshi, Rachel S. Greenberg, Soohong Min, AbdulRasheed A. Alabi, Chuchu Zhang & Stephen D. Liberles
更に詳しく
研究チームが発見したのは、気道が閉じるという物理的な刺激に反応して迷走神経が活性化する特定の神経反射です。この現象は、空気道の圧迫を検出する専用の感覚ニューロンが関与していることを示しています。特に、PVALBというタンパク質を発現する迷走神経細胞が、この反応の中心にあります。これらの神経細胞は、肺の上皮細胞集団である神経上皮体（NEB）と密接に連携しています。NEBを刺激することで、気道が実際に閉塞していなくてもガスプと呼ばれる反射を誘発でき、逆にこれらのNEBやPVALBを発現する神経細胞を除去すると、気道閉塞に対するガスプ反応がなくなります。
これらの神経細胞とNEBは、気道閉塞時に迅速な呼吸調節を可能にすることで、肺の機能を保護します。さらに、NEBはPIEZO2という機械受容体を一様に発現しており、この受容体をノックアウトすると気道閉塞への反応がなくなることが確認されました。これは、PIEZO2が気道閉塞を感知するために絶対に必要であることを意味します。
この発見は、呼吸機能を維持し、呼吸困難時に迅速な対応を促す体の能力の理解を深めるものです。気道が閉塞するという刺激に対して、体がどのようにして即座に反応し、肺の健康を保護するのか、そのメカニズムを明らかにしました。これにより、肺機能を守るための新しい治療戦略の開発に道を開く可能性があります。
ヨーロッパへの人類の最古の移動を解明
ウクライナ西部コロレボの遺跡で発見された石器は、約140万年前に遡ることが確認され、これはヨーロッパにおける人類の存在が確実に証明された最も古い時期を示しています。
事前情報
1970年代に発見されたコロレボ遺跡は、ヨーロッパ旧石器時代において重要な位置を占めていますが、これまで最も古い石器の年代は明確ではありませんでした。
行ったこと
研究チームは、コロレボ遺跡で発見された石器が含まれる堆積物の年代を、宇宙線由来核種を用いた2つの埋葬年代測定法により決定しました。
検証方法
宇宙線由来核種を用いて、石器を含む堆積物の年代を1.42±0.10百万年前および1.42±0.28百万年前と測定しました。
分かったこと
コロレボ遺跡は、これまでに確認された中でヨーロッパにおける人類の存在が最も古い時期を示しており、カフカス地方（約185万～178万年前）から南西ヨーロッパ（約120万～110万年前）への人類の移動ルートをつなぐ重要な発見です。
この研究の面白く独創的なところ
ヨーロッパへの人類の最古の移動を明らかにし、人類がいかにして新しい地域に適応し拡散していったかの理解を深めることができる点です。
この研究のアプリケーション
人類の移動パターンや古代の気候変動との関連性を理解するための新しい知見を提供します。
著者と所属
R. Garba, V. Usyk, L. Ylä-Mella, J. Kameník, K. Stübner, J. Lachner, G. Rugel, F. Veselovský, N. Gerasimenko, A. I. R. Herries, J. Kučera, M. F. Knudsen & J. D. Jansen
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ウクライナ西部に位置するコロレボ遺跡で見つかった石器群の研究により、約140万年前という驚異的に古い時代に、人類が既にヨーロッパに存在していたことが新たに確認されました。この発見は、宇宙線由来核種を使用した二つの独立した埋葬年代測定法によって裏付けられています。具体的には、石器が含まれる堆積物の年代が1.42±0.10百万年前および1.42±0.28百万年前と計測され、これによりコロレボ遺跡がヨーロッパにおける人類活動の証拠として最も古いものの一つであることが明らかになりました。これらの年代は、ヨーロッパでの人類の存在を裏付ける最古の証拠であり、以前に推測されていたカフカス地方（約1.85～1.78百万年前）からの人類の東から西への拡散説を支持します。さらに、この時期は温暖な間氷期にあたり、初期の人類がより高緯度や大陸的な地域へと適応しながら拡散していったことを示唆しています。このように、コロレボ遺跡からの石器群は、ヨーロッパにおける人類の歴史と移動のパターンに関する新たな光を投げかけています。
メトロロジーからスペクトロスコピーまで、幅広い応用が可能な高効率・広帯域のマイクロコームの開発
研究チームは、効率的なポンプ電力の使用と高い内部変換効率を特徴とする新しいクラスのマイクロコーム、FM-OPOを開発しました。このデバイスは、広帯域で均一なスペクトル分布を実現しています。
事前情報
光周波数コームは精密測定や時間計測、分子分光法に革命をもたらしましたが、高効率と広帯域の維持は難しい課題でした。
行ったこと
研究チームは、電気光学とパラメトリック増幅を統合した新たなマイクロコーム、FM-OPOを導入しました。
検証方法
薄膜リチウムナイオベートで完全な光学システムを製造し、ポンプからコームへの内部変換効率が93%を超えることを測定しました。
分かったこと
FM-OPOは、約200モード（1THz以上）にわたるほぼフラットトップのスペクトル分布を持ち、電気光学コームと比較してキャビティの分散が帯域幅を決定するため、より小さな無線周波数変調電力で広帯域コームを実現します。
この研究の面白く独創的なところ
従来の解決策と異なり、パルスを形成せずに操作の単純さと高効率を保持しつつ、周波数変調レーザーに似た出力を提供する点です。
この研究のアプリケーション
メトロロジー、分光法、通信、センシング、計算など、幅広い分野でのコンパクトな精密ツールとしての応用が期待されます。
著者と所属
Hubert S. Stokowski, Devin J. Dean, Alexander Y. Hwang, Taewon Park, Oguz Tolga Celik, Timothy P. McKenna, Marc Jankowski, Carsten Langrock, Vahid Ansari, Martin M. Fejer & Amir H. Safavi-Naeini
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研究チームが開発した新しいクラスのマイクロコームである周波数変調光パラメトリック発振器（FM-OPO）は、従来の光周波数コーム技術の限界を克服するために設計されました。このデバイスは、特に効率的なポンプ電力の使用と、驚異的な内部変換効率を実現しています。具体的には、ポンプからコームへの内部変換効率が93%を超えるという極めて高い効率を達成しており、外部に出力される効率も34%に達します。これは、薄膜リチウムナイオベートを使用して製造された完全な光学システムにより実証されました。
FM-OPOは、約200モードにわたって1テラヘルツ（THz）以上の帯域幅を持つほぼフラットトップのスペクトル分布を提供します。これにより、非常に広い周波数範囲にわたる均一な光のコームを生成することが可能になり、従来技術に見られるキャビティ損失に依存するのではなく、キャビティの分散によって帯域幅が決定されます。この特性は、より小さい無線周波数変調電力で広帯域のコームを実現するために重要で、広帯域で高効率なマイクロコームの実現を可能にしました。
この技術は、従来の解決策と比較して、パルスを形成せずに操作の単純さを保持しながらも、高い効率と広い帯域幅を兼ね備えていることが最大の特徴です。その結果、FM-OPOマイクロコームは、メトロロジー、分光法、通信、センシング、計算といった多岐にわたる応用分野での使用が期待されています。
加齢と統合失調症において、神経細胞とアストロサイト間の重要なプログラムが衰えます
この研究は、人間の前頭前皮質の191人のドナー（22歳から97歳、健康な個体と統合失調症を患っている人を含む）を対象に、シナプス構成要素を強く発現する神経細胞が多いほど、アストロサイトもシナプス機能に関連する異なる遺伝子やコレステロールを合成する遺伝子を強く発現するという関係を明らかにしました。
事前情報
人間の脳は個人差があり、年齢と共に変化しますが、これらの変化は細胞レベルで完全には理解されていませんでした。
行ったこと
シングルニュークレオスRNAシーケンシングを使用して、人間の前頭前皮質を分析し、潜在因子分析に基づく計算アプローチを開発しました。
検証方法
191人の人間の脳ドナーの前頭前皮質をシングルニュークレオスRNAシーケンシングで分析し、多細胞の遺伝子発現パターンを識別しました。
分かったこと
加齢と統合失調症において、神経細胞とアストロサイトの間のシナプスニューロンとアストロサイトプログラム（SNAP）が衰退し、これが認知的柔軟性と可塑性の低下に関連しています。
この研究の面白く独創的なところ
健康な人でもSNAPの量的な変動が認められ、正常な個体差の多くの側面に影響を及ぼす可能性があり、複数の病理生理学的な共通点があることが明らかになりました。
この研究のアプリケーション
健康な脳機能と脳障害の理解に新たな道を開く可能性があります。
著者と所属
Emi Ling, James Nemesh, Melissa Goldman, Nolan Kamitaki, Nora Reed, Robert E. Handsaker, Giulio Genovese, Jonathan S. Vogelgsang, Sherif Gerges, Seva Kashin, Sulagna Ghosh, John M. Esposito, Kiely Morris, Daniel Meyer, Alyssa Lutservitz, Christopher D. Mullally, Alec Wysoker, Liv Spina, Anna Neumann, Marina Hogan, Kiku Ichihara, Sabina Berretta & Steven A. McCarroll
更に詳しく
この研究では、22歳から97歳までの幅広い年齢層の191人の人間の前頭前皮質から採取したドナーサンプルを分析し、神経細胞とアストロサイトという二つの異なる細胞タイプ間の密接な関係を明らかにしました。特に、研究チームは、シナプスの構成要素をコードする遺伝子を強く発現する神経細胞が多い個体では、アストロサイトもシナプス機能に直接関連する遺伝子や、シナプス膜の構成成分であるコレステロールを合成する遺伝子を強く発現していることを発見しました。これは、神経細胞とアストロサイトが互いに強く関連する遺伝子発現パターンを持ち、特にシナプスの形成と機能において協力していることを示しています。
さらに、加齢と統合失調症という二つの状態で認知機能の低下が見られる中、この研究ではこれらの条件下でのシナプスニューロンとアストロサイトプログラム（SNAP）の衰退を観察しました。これは、神経細胞とアストロサイトの間のこの協調プログラムが、正常な脳機能において極めて重要であること、また、加齢や統合失調症といった条件下での認知機能の低下において中心的な役割を担っていることを示唆しています。
この発見は、健康な個体と疾患状態を持つ個体の脳機能の違いを理解する上での新しい視点を提供します。また、神経細胞とアストロサイトの間のこのような相互作用が、脳の健康と疾患の両方において重要な役割を果たしていることを強調しています。
遺伝子配列を逆さまにすることで、生物の基本的なゲノム状態を明らかにしました
研究チームは人間のHPRT1遺伝子とその周辺領域を逆さまにした101kbの遺伝子座を作り、これを酵母とマウスのゲノムに導入して、ゲノム活動を分析しました。その結果、酵母では逆さまの遺伝子も活動的であったのに対し、マウスでは活動せず、遺伝的情報のない合成ゲノム配列が酵母では活動的、マウスでは非活動的であることが分かり、これら二つの異なる真核生物細胞タイプ間での「デフォルトのゲノム状態」の大きな違いを示しました。
事前情報
遺伝子のほとんどが何らかの形で転写されているが、これが実際に機能的な活動なのか、あるいはランダムで普遍的な「ノイズ」なのかは議論されています。
行ったこと
人間のHPRT1遺伝子を逆順にした合成遺伝子座を設計し、酵母とマウスのゲノムに導入しました。
検証方法
合成遺伝子座のゲノム活動をシングルセルRNAシーケンシングで分析しました。
分かったこと
酵母では逆順遺伝子座が活動的であったのに対し、マウスでは一切活動せず、抑制的なクロマチンの兆候が見られました。
この研究の面白く独創的なところ
進化的に無知な遺伝子座を導入することで、真核生物の「デフォルトのゲノム状態」を探求し、種間での大きな違いを発見した点です。
この研究のアプリケーション
普遍的な転写活動、遺伝子の水平移動、新しい遺伝子の誕生を理解する上での重要な手がかりを提供します。
著者と所属
Brendan R. Camellato, Ran Brosh, Hannah J. Ashe, Matthew T. Maurano & Jef D. Boeke
この研究では、人間のHPRT1遺伝子とその周囲の領域を逆さまにした101キロベースの遺伝子座を合成し、これを酵母（Saccharomyces cerevisiae）とマウス（Mus musculus）のゲノムに組み込みました。この実験的アプローチは、遺伝子情報の進化的に獲得されたコーディングや調節情報を無効にしながら、自然配列の基本的特徴を保持することを意図しています。その結果、酵母では、進化上、酵母のプロモーターが存在しないにもかかわらず、逆順にされたHPRT1遺伝子座に広範な活動が見られました。これに対して、マウスの胚性幹細胞では、逆順にされた遺伝子座は全く活動を示さず、代わりに抑制的なクロマチンのサインが観察されました。
さらに、CpGダイヌクレオチドを欠く遺伝子座のバリアントでは、抑制的なクロマチンのサインが緩和されましたが、このバリアントもまた転写活動を示しませんでした。この観察結果は、酵母では進化的に無知な合成ゲノム配列が活動的であるのに対し、マウスの胚性幹細胞では非活動的であることを示しています。これは、酵母とマウスという二つの異なる真核生物の細胞タイプ間で「デフォルトのゲノム状態」に大きな違いがあることを意味します。酵母ではデフォルトで遺伝子が活動的である可能性が高く、任意の配列が転写の機会を持つことが示唆されます。一方で、マウスでは遺伝子がデフォルトで非活動的であり、特定のクロマチンの状態が転写活動を阻害することが暗示されます。
この発見は、進化的に異なる生物種間でゲノムがどのように機能するかについての重要な洞察を提供し、普遍的な転写活動、遺伝情報の水平移動、そして新しい遺伝子の誕生に関する理解を深めるものです。
最後に
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