​​　景文舎(株)

（翻訳サンプル、自然科学分野　日本語原稿）

脳が左右非対称に働く仕組みが初めて

細胞レベルで明らかに

　脊椎動物は体と同様に、脳も基本的に左右対称に構成されている。左右の体を同時に同じよ うに動かすこともあるが、多くの場面で左右の体を非対称に動かす。その時、それぞれを制 御する左右の脳は、左右非対称に活動する。左脳と右脳の間を結ぶ神経線維の損傷による影 響などから、左右非対称な脳活動を生成するには、両脳間で互いに抑制しあう「相互抑制回 路」の重要性が古くより提唱されていた。しかし、関与する神経回路の複雑さやアプローチ の難しさから、「相互抑制回路」の具体的な神経回路構成や運動における役割は長い間不明 のままであった。　

　今回、自然科学研究機構生命創成探究センター･基礎生物学研究所と名古屋大学大学院理学 研究科から構成される研究チームは、熱帯魚の一種で脊椎動物の脳研究に広く用いられて いるゼブラフィッシュを用いて、「相互抑制回路」を単一細胞レベルで明らかにしたうえで、 運動制御に果たす役割を解明した。

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　魚には敵や侵害刺激から素早く逃げるときに働く逃避回路（図 1）があり、最初に刺激と反 対方向に素早く体を曲げる屈曲を起こす回路は、後脳（我々の延髄に相当）に左右一対存在 する大きなマウスナー細胞によって駆動される。左右のマウスナー細胞には互いに抑制し あう「相互抑制回路」が存在することが分かっていたが、その回路を中継する神経細胞（ニ ューロン）がどこにどれだけあるかは不明であり、そのために回路の機能も概念的にしか理 解されておらず、実際の逃避運動に「相互抑制回路」がどのような役割を果たすのかも謎の ままであった。

　図１：

　ゼブラフィッシュの逃避行動（左）を駆動するマイスナー細胞の回路（右）

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　研究チームは、相互抑制回路を中継する介在ニューロンに緑色蛍光タンパク質(Green Fluorescent Protein, GFP)を発現する遺伝子改変ゼブラフィッシュを見出し（図２）、電気 生理学的手法注４）やイメージングおよび行動解析から相互抑制回路の同定と機能を明ら かにした。まず、後脳の後方に位置する二対の T 型網様ニューロン注５）(Ta1 細胞と Ta2 細胞)が、マウスナー細胞の相互抑制回路の主要な中継ニューロンであることを電気生理学 的に明らかにした（図 1 右）。

　図２：ゼブラフィッシュのマウスナー細胞と相互抑制回路の介在ニューロン（Ta1 と Ta2）

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　シリコン量子ビットの高温動作に成功

  シリコン量子ビットに使われるのは、シリコン中の局在した電子のスピンの状態（上向き、 下向き、あるいはその量子的重ね合わせ状態）です。高温で動作する量子ビットには熱エネ ルギーによる撹乱に負けない、より強く局在した電子が必要です。局在した電子を実現する ためには、電子を狭い領域に 3 次元的に閉じ込める量子ドット構造を用いることが 1 つの 方法です。しかし、この方法で強い局在を実現するためには、極めて微小な領域に電子を閉 じ込める必要があり、現代の加工技術では実現が困難となっています。

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　また 2 つ目の方法としては、不純物を利用する方法があります。これは不純物が形成する エネルギー準位を利用するもので、不純物 1 個、即ち原子サイズの量子ドット閉じ込めを 実現することに相当します。これまではリンをはじめとする一般的な不純物（浅い不純物） が利用されてきましたが、浅い不純物には電子は強く局在しないという問題がありました。 そのため、共同研究グループはシリコンの「深い不純物」を用いました。シリコンには、リ ンやホウ素などの浅い不純物以外に、多くの深い不純物が知られています。深い不純物は浅 い不純物と同様に、既存の技術でシリコンへ導入することができ、単一元素からなる不純物 以外に、アルミ不純物と窒素不純物が近接して作る不純物ペアも深い準位を形成します。そ こで、本研究の量子ビットにはアルミ-窒素不純物ペアを用いました。

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　量子ビットの状態を電気信号として読み出すには、深い不純物の電子をトランジスタの電 極に取り出す必要があります。不純物電子の電極への移動はトンネル効果で起こります。し かし、従来のトランジスタ構造ではこのトンネル障壁が厚くなりすぎて、うまく電子を取り 出すことができません。そこで、トンネル電界効果トランジスタ素子を採用することで、こ のトンネル障壁を薄くし、電子を電極へ取り出すことに成功しました　（図 1、2）。

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　トンネル電界効果トランジスタ（透過電子顕微鏡像）と導入された”深い不純物” （模 式図） 今回作製したシリコン量子ビットを実現するトンネル電界効果トランジスタの透過電子顕 微鏡像に、導入した深い不純物を赤点で示した。ソース電極からドレイン電極に向かって流 れる電子は、ゲート電極の電圧で制御される。1nm は 10 億分の 1 メートル。

（翻訳样本、自然科学领域 中文版译文）

日本首次在单个细胞水平明确脑左右不对称工作机制

 

  脊椎动物的脑与身体一样，基本来说也是左右对称的结构。虽然左右两侧的身体有时会同时做出相同的动作，但更多情况下，两侧身体的动作并不对称。此时，控制两侧身体的左右脑的活动是左右不对称的。由于连接左脑和右脑的神经纤维受损带来的影响等，两脑之间相互抑制的“相互抑制回路”对于形成左右不对称的脑活动中的重要性很早就被人们提出来过。不过，由于参与抑制的神经回路很复杂，且方法较难，所以长期以来人们一直不清楚“相互抑制回路”的具体神经回路构成以及其在运动过程中发挥的作用。

 

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此次，日本自然科学研究机构生命创成探究中心基础生物学研究所与名古屋大学研究生院理学研究科组成的研发小组，利用热带鱼中的一种被广泛应用于脊椎动物脑研究的斑马鱼，在单个细胞水平上查明了“相互抑制回路”，同时还明确了其在运动控制过程中发挥的作用。

 

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鱼脑内有一种逃避回路（图1），用来从敌人和侵害刺激中迅速逃离，最初帮助鱼朝着刺激相反的方向弓起身体的回路，由分别位于后脑（相当于人类的延髓）左右两侧的一对大型毛特讷氏细胞所驱动。此前已知左右两侧的毛特讷氏细胞内存在相互抑制的“相互抑制回路”，但并不清楚传递该回路的神经细胞（神经元）的位置和数量，因此关于回路的功能也只理解个概念，“相互抑制回路”在实际的逃避动作中发挥怎样的作用始终是个谜团。

 

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图1：驱动斑马鱼做出逃避动作（左）的毛特讷氏细胞的回路（右）

 

图上文字：

マウスナー細胞——毛特讷氏细胞

相互抑制回路——相互抑制回路

運動出力——运动输出

運動出力——运动输出

 

研发小组找到了一种在传递相互抑制回路的中间神经元中表达绿色荧光蛋白（Green Fluorescent Protein, GFP）的转基因斑马鱼（图2），利用电气生理学方法及成像法和行动分析法，确定了相互抑制回路并明确了其功能。研发小组首先通过电气生理学方法确认，位于后脑后方的两对T型网状神经元（Ta1细胞和Ta2细胞）是毛特讷氏细胞的相互抑制回路的主要中继神经元（图1右）。

 

图2：斑马鱼的毛特讷氏细胞及相互抑制回路的中间神经元（Ta1とTa2）

 

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日本成功实现硅量子比特的高温动作

硅量子比特使用的是硅中局部存在的电子的自旋状态（向上、向下，或者量子重叠状态）。在高温下动作的量子比特需要不受热能干扰、更强壮地存在于局部的电子。实现电子局部化的方法之一是，采用将电子三维限制在狭窄区域内的量子点结构中。不过，要想利用这种方法实现强壮的局部化，需要将电子限制在非常微小的区域内，现代加工技术还难以实现。

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还有一种利用杂质的方法。这种方法利用杂质形成的能级，使用1个杂质，即实现原子尺寸相当的量子点限制。此前一直使用以磷为首的普通杂质（浅杂质），但浅杂质存在电子局部化不强壮的问题。因此，联合研发小组使用了“深杂质”硅。众所周知，除了磷和硼等浅杂质外，硅中还有很多深杂质。深杂质与浅杂质一样，可以利用现有技术导入硅中，除了由单一元素构成的杂质外，使铝杂质与氮杂质相互靠近制作的杂质对也能形成深能级。因此，本研究中的量子比特使用了铝-氮杂质对

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要想将量子比特的状态作为电信号读取出来，需要将深杂质的电子提取到晶体管的电极中。杂质电子向电极的移动通过隧道效应实现。但以往的晶体管结构由于隧道结过厚，无法顺利提取电子。此次，研发小组通过采用隧道场效应晶体管元件，减薄了隧道结的厚度，成功将电子提取到了电极上（图1、2）。

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图1：隧道场效应晶体管（透射电子显微镜图像）和导入的”深杂质”（模式图）

在此次制作的硅量子比特的隧道场效应晶体管的透射电子显微镜图像上，红点表示导入的深杂质。从源电极流向漏电极的电子利用栅电极的电压控制。1nm为10亿分之1m。

 

图上文字：

従来のトランジスタ——以往的晶体管

トンネル電界効果トランジスタ——隧道场效应晶体管

ゲート——栅极

ソース——源极

ドレイン——漏极

トンネル電流が流れず電子を取り出せない——隧道电流不流动，无法提取电子

深い不純物——深杂质

トンネル電流——隧道电流

トンネル電流が流れ電子を取り出せる——隧道电流流动，能提取电子

厚いトンネル障壁——厚隧道结

薄いトンネル障壁——薄隧道结