睡眠と覚醒の切り替えに関わる神経細胞群の接続と制御様式を明らかに

筑波大学

筑波大学、金沢大学、群馬大学の研究グループは、マウスの脳内において睡眠と覚醒の切り替えスイッチの役割を果たす神経回路を明らかにしたとのことです。睡眠の制御において重要な働きをしている視索前野のGABA作動性神経細胞と、覚醒をつかさどるセロトニン、ヒスタミン、オレキシン、ノルアドレナリンの関係性を明らかににし、視床下部と脳幹が関わる神経回路が睡眠と覚醒を制御していることが示唆された今回の研究結果は、画期的なことなのです。

睡眠と覚醒をコントロールする神経回路の解明の重要性

 睡眠は、脳と全身機能の保全において重要な生理機能です。近年、5人に1人が何らかの原因で睡眠障害を起こしていると言われています。睡眠には、「レム睡眠」と「ノンレム睡眠」の2種類があります。「レム睡眠」は、脳が覚醒に近い状態レベルで活動している状態、つまり浅い眠りの状態で、「ノンレム睡眠」は記憶の強化、脳にたまった総廃物の除去といった働きがあり、「脳の休息」と呼ばれる深い眠りの状態を指します。

 人間はこの2種類の睡眠を交互に繰り返しながら、脳のメンテナンスと翌日のための心身の準備を行っています。睡眠と覚醒は、脳が自発的にもたらす最も大きな行動変化であり、脳の機能の大幅な変化を伴っています。その切り替えスイッチの役割を果たしているのが「視床下部」と「脳幹」です。「視床下部」の前方には、睡眠の開始と維持、後方には覚醒と維持にとって重要な働きを果たす部分がそれぞれにあります。しかし、両者の関係には不明な点が多く、睡眠を改善し、睡眠障害のより良い治療法を発見するためには、睡眠と覚醒をコントロールする神経回路の解明が必要でした。

オレキシンとヒスタミンを作り出す神経細胞に着目

 覚醒を適切に維持するためには、オレキシンと呼ばれる、アミノ酸がたくさん繋がったペプチドを作り出す神経細胞が不可欠なのです。オレキシンを作り出す神経細胞がなくなってしまう病気として、覚醒を適切に維持することが難しくなる「ナルコレプシー」があります。オレキシンの神経細胞は視床下部の後方に存在し、視床下部の後方に存在するヒスタミンを作り出す神経細胞に主に作用して覚醒を維持しているとされています。

 本研究グループは、オレキシンを作り出す神経細胞と、ヒスタミンを作り出す神経細胞に着目し、これらの神経細胞群に繋がる神経細胞に網羅的に明らかにする研究を行いました。研究グループは、操作をして無毒化した狂犬病ウィルスと遺伝子改変マウスを用いてこれらの神経細胞にシナプスと呼ばれる神経細胞間の神経活動に関わる接合部位を介して入力する神経細胞郡を明らかにしました。

 その結果、オレキシンを作り出す神経細胞と、ヒスタミンを作り出す神経細胞は、脳内の感情を司る領域から、非常によく似た入力を受けていることが分かりました。このことから、強い関係をもつ2つの神経細胞群は、並列に同様の制御を受けていることが明らかになりました。研究グループはさらに、睡眠の開始と維持に関わる視床下部の前方とオレキシンを作り出す神経細胞と、ヒスタミンを作り出す神経細胞との関係に着目しました。視床下部前方には、睡眠時にのみ活動する「GABA」と呼ばれる抑制性の神経伝達物質をもつ「スリープアクティヴ」と呼ばれる神経細胞郡が存在します。今回の研究結果は、スリープアクティヴニューロンがオレキシンおよびヒスタミンを作り出す神経細胞にシナプスを接続し、これらの神経細胞群を抑制することで睡眠を促すことが明らかになりました。さらには、「パッチランプ記録」と呼ばれる、特定の神経細胞に微小の電極を刺して電気活動を測定する方法を用いて、オレキシンを作り出す神経細胞と、ヒスタミンを作り出す神経細胞に接続しているスリープアクティヴニューロンは、覚醒物質であるセロトニンとノルアドレナリンによって抑制されることを明らかにしました。以上のように、睡眠と覚醒の切り替えに関わっている神経細胞群の接続と制御様式を明らかにした点で、今回の研究成果は画期的です。

本研究から期待される今後の展開

 睡眠と覚醒は、ヒスタミン、オレキシン、GABA、セロトニン、ノルアドレナリンなど、様々な脳内物質が関与して制御されています。今回の研究により、これらを生み出す神経細胞群の相互関係が明らかになりました。これらの脳内物質に作用する薬物は多く知られていますが、それらの薬物の睡眠や覚醒への作用をより良く理解出来るようになる他に、新しい睡眠障害の治療薬開発に役立つことが期待されています。