image: 通常、大脳皮質第一次体性感覚野の神経細胞の活動はばらついているが、疼痛急性期には同期的な神経細胞活動が増加する。 view more
Credit: 岡田卓也
神戸大学大学院医学研究科麻酔科学分野の岡田卓也特定助教、溝渕知司教授、名古屋大学大学院医学研究科分子細胞学分野の和氣弘明教授（神戸大学先端融合環兼務）・加藤大輔助教、神戸大学先端融合研究環の的場修教授、神戸大学大学院システム情報学研究科の滝口哲也教授らのグループは、２光子顕微鏡※１を用いた生体カルシウムイメージング法※２およびホログラフィック光刺激※３により、疼痛強度や部位の認知に重要な役割を担う大脳皮質第一次体性感覚野において、疼痛急性期に各神経細胞間の機能的結合が強化されることを世界で初めて解明しました。
疼痛は末梢組織の侵害による炎症や末梢神経の損傷によって生じ、その発生や維持に中枢神経系の異常が関与していることが報告されています。大脳皮質において第一次体性感覚野は、疼痛強度や部位の認知に重要な役割を担っており、急性疼痛時に活動が亢進することが、機能的核磁気共鳴法や２光子顕微鏡を用いた研究で示されていますが、同一の各神経細胞間の機能的結合や活動の相関性が経時的にどのように変化し、これらの変化が疼痛病態へどのような影響をもたらすかは明らかではありませんでした。
今回の研究では、炎症性疼痛モデルマウスを用いた実験により、疼痛急性期に大脳皮質第一次体性感覚野の神経細胞集団の自発的な活動上昇および各細胞間の活動相関性の上昇、さらにホログラフィック光刺激によって１つの神経細胞を刺激した際の周囲の神経細胞の応答が増加することが分かりました。そして、疼痛の改善に伴ってこれらの変化が元の状態まで低下することが明らかになりました。また、そのメカニズムにはN型カルシウムイオンチャネルの発現量が関与しており、このチャネル阻害剤投与が、疼痛閾値の改善に有効であることも明らかになりました。この発見は、急性疼痛が慢性化した慢性疼痛患者の治療法に繋がる可能性があるため大変期待されます。
この研究成果は、03月19日、Science Advancesに掲載される予定です。
ポイント
- 疼痛の急性期に大脳皮質第一次体性感覚野の神経細胞の自発的活動の上昇および活動相関性の上昇が生じ、さらにホログラフィック光刺激によって１つの神経細胞を刺激した際の周囲の神経細胞の応答が同じ疼痛急性期に増加し、疼痛の改善に伴ってそれらが元の状態まで低下することが明らかになりました。
- 疼痛急性期の大脳皮質体性感覚野ではN型カルシウムイオンチャネルの発現量が増加しており、その阻害剤の局所投与（脳室内および体性感覚野の脳表）により疼痛改善に有効であることも明らかになりました。
- 今回の発見は、急性疼痛が慢性化した慢性疼痛患者の治療法開発に繋がる可能性があります。
研究の背景
疼痛は末梢組織の侵害による炎症や末梢神経の損傷によって生じ、私たちの誰もが経験のある不快な情動体験ですが、その発生や維持に関する詳細なメカニズムの解明には至っていません。これまで脊髄後角における神経細胞活動やグリア細胞に着目した重要な疼痛研究が進められてきましたが、近年の画像技術の発達に伴い、脳領域の疼痛研究が増加傾向にあります。大脳皮質第一次体性感覚野 (S1) は痛みの識別に関与する重要な脳領域であり、これまで機能的核磁気共鳴法（fMRI）や２光子顕微鏡を用いた研究により、急性疼痛時にS1の神経細胞集団の活動が亢進することが示されてきましたが、疼痛の発生・維持におけるS1の詳細な神経回路基盤は明らかではありませんでした。
本研究チームは、２光子顕微鏡による生体カルシウムイメージング法を用いて同一の神経細胞を追跡し、疼痛急性期にS1の神経細胞の自発的活動の上昇および活動相関性の上昇が生じ、さらにホログラフィック光刺激によって１つの神経細胞を刺激した際の周囲の神経細胞の応答も疼痛急性期に増加すること、そして疼痛の改善に伴ってそれらが元の状態まで低下することを明らかにしました。また、そのメカニズムにN型Caイオンチャネルの発現が関与しており、それらを補正することが疼痛閾値の改善に有効であることもつきとめました。
研究の内容
生きたまま脳の神経細胞の活動を調べることができる2光子顕微鏡による生体カルシウムイメージング法を用いて、Complete Freund’s Adjuvant（CFA）を足底に注射した炎症性疼痛モデルマウスの疼痛急性期では、大脳皮質第一次体性感覚野（S1）の第2/3層にある神経細胞の自発的活動が上昇し、各細胞間の活動相関性が上昇していること、また疼痛の改善に伴ってそれらが元の状態まで低下すること、さらに各神経細胞間の活動相関性が高いほど疼痛の閾値が低いことを発見しました (図1) 。
これらの結果を検証するために、2光子顕微鏡による生体カルシウムイメージング法とホログラフィック光刺激を組み合わせた実験系を用いて、炎症性疼痛モデルマウスのS1の１つの神経細胞を刺激した際の周囲の神経細胞の応答が、疼痛急性期に上昇し、疼痛の改善に伴って応答が低下することを発見しました。以上から、疼痛急性期においてはS1の各神経細胞の機能的結合が強化された結果、各神経細胞の活動相関性が増加し、疼痛の改善に伴ってそれらが低下したことが示唆されます。
このS1の第2/3層の自発的な神経細胞の活動上昇と疼痛閾値の関連を検証するために、ヒトムスカリン受容体を改変した変異型ヒトムスカリン受容体（hM3Gq）というクロザピン-N-オキシド（CNO）で人為的に神経細胞活動を上げることができるタンパク質をマウスのS1に発現させて、CNOを投与する前後で神経活動や疼痛閾値を比較しました（化学遺伝学的手法※４）。その結果、S1の神経活動を人為的に活性化させたマウスでは、各神経細胞活動の活動相関性が増加し、さらに疼痛閾値が低下することが分かりました。
これらの結果に関与する分子メカニズムの探索としてフローサイトメトリー法※５を用いて炎症性疼痛モデルマウスの疼痛急性期におけるS1神経細胞の各イオンチャネルの発現を疼痛のない野生型マウスと比較しました。その結果、N型カルシウムイオンチャネルの発現量が炎症性疼痛モデルマウスでは増加しており、その阻害薬の脳室内投与や阻害薬をS1の脳表に塗布することで疼痛閾値が改善することが分かりました。
今後の展開
大脳皮質第一次体性感覚野 (S1) は痛みの識別に関与する重要な脳領域であり、S1における神経細胞集団が急性疼痛時に活動亢進することがこれまで示されています。今回の研究で、疼痛急性期に活動亢進するだけではなく、各神経細胞間の機能的結合が増加し、活動相関性が増加することが示されました。
今後、ホログラフィック光刺激を応用し、疼痛に大きく関与するS1の神経細胞の同定や特徴抽出を行い、さらに同定された疼痛に関与する多細胞をホログラフィック光刺激することで、神経細胞活動と疼痛との因果関係を検証する予定です。さらに、神経細胞間の機能的結合の増加を防ぐことが、急性疼痛に対する治療法の選択肢となる可能性があるため、その方法の探求を計画しています。
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用語解説
※１: 2光子顕微鏡
生きたままの組織内の細胞を観察することができる顕微鏡。赤外線レーザーを使用するため組織透過性が高く、脳の深部まで観察可能である。
※２: 生体カルシウムイメージング法
2光子顕微鏡を用いて、神経細胞内のカルシウムイオン濃度を光の強度として計測することで、神経細胞の活動を観察する方法。
※３: ホログラフィック光刺激
物体からの光波の情報を記録し、計算機で３次元情報を再生できるホログラフィー技術を用いて、特定の細胞だけを選択して光刺激する手法。
※４: 化学遺伝学的手法
ヒトムスカリン受容体を改変した変異型ヒトムスカリン受容体を目的となる細胞に発現させることで、クロザピン-N-オキシド（CNO）により人為的に細胞活動の興奮および抑制を制御することができる手法。
※５: フローサイトメトリー法
微細な粒子を流体中に分散させ、その流体を細く流して、個々の粒子を光学的に分析する測定手法。
謝辞
本研究は、科学技術振興機構JPMJCR1755、JSPS科研費18K16482の助成を受けて行われました。
タイトル
Pain induces stable, active microcircuits in the somatosensory cortex that provide a new therapeutic target
DOI:
著者
Takuya Okada, Daisuke Kato, Yuki Nomura, Norihiko Obata, Xiangyu Quan, Akihito Morinaga, Hajime Yano, Zhongtian Guo, Yuki Aoyama, Yoshihisa Tachibana, Andrew J Moorhouse, Osamu Matoba, Tetsuya Takiguchi, Satoshi Mizobuchi and Hiroaki Wake
掲載誌
Science Advances
Journal
Science Advances