体の運動状態を心臓はどうやって把握するか？ オプトジェネティクスと Kaha Telemeytryを用いて、鳥取大学の木場智史教授らがその謎を解明した。
運動は直感的にできる。体を動かすと心拍数が上がり、体温が上昇し、汗をかき、喘ぐ。しかし、心臓はどうやって他の筋肉の動きを知るだろうか？ よくあることだが、それは脳を経由している。
運動は生理学的にストレスの多い活動であり、酸素とエネルギーが必要な部位に必要なだけ供給されるよう、脳が常に管理する必要がある。運動と自律神経系が並行して活性化することで、中枢からの指令によって呼吸数、心拍数、血圧が上昇し、エネルギーを必要とする運動を行う動機付けがなされる。
大学院生だった木場智史教授は、セントラルコマンドに関する教科書を読んだ。「その教科書で理解できなかったのは、セントラルコマンドが実際にどこにあるかということだった」と智史は言う。
その "どこに "という疑問は、適切なテクノロジーを待つ必要があった。ワイヤレステレメトリー測定とオプトジェネティクスがチームが謎を明かし始めるのに必要な技術革新であった。
「テレメトリーとオプトジェネティクスを研究プログラムに導入することで、セントラルコマンドの機能を支える脳の実際の状態を解明し、研究するための研究環境を開発することができました」と智史は言う。
研究成果の詳細については、『Nature Communications』をご覧ください。
研究チームは、吻側腹外側髄質がセントラルコマンド回路において重要な役割を果たすと仮定した。この部位は通常、交感神経系の血圧と圧調節に関与しているからだ。血圧の変化は運動の増加に反応して起こるので、この部位の活性化は運動に関連した部位から起こるはずである。彼らの仮説では、中脳運動ニューロンによる腹側延髄吻部の興奮が必要であり、この回路は体性運動系と交感神経系を同時に活性化する。
この仮説を検証するためには、システムを分離する必要があった。智史と彼のチームは、オプトジェネティクスを使って、吻側腹外側髄質に投射している中脳運動ニューロンを正確に標的にすることができた。研究チームはラットを自宅のケージで観察し、Kahaワイヤレス埋め込み型テレメーターを用いてラットの動脈血圧を追跡した。
回路を光遺伝学的に刺激すると、動脈圧が運動中に予想されるレベルまで上昇しただけでなく、ラットの行動も変化した。まるで脳が送る「運動中」のシグナルに合わせるかのように、動き回ったり走り回ったりしたのだ。
しかし、回路の活性化はパズルの一面にすぎない。次に、智史と彼の研究チームは、自由運動中にこの回路を抑制した。予想通り、運動中の動物の心臓血管系のサポートは低下し、運動しないレベルに戻った。一部のラットは運動をやめたが、これは全体的に一貫していなかった。抑制は運動意欲を止めるような複雑なことをするのではなく、ラットの心血管系の活動を典型的な運動しないパターンに戻すだけであった。ラットは走り続けることができたが、脳と心臓に関しては休んでいたのである。
中脳運動ニューロンから吻側腹外側延髄への回路が運動に特異的なものなのか、それとも単に別の心血管系調節回路なのか。抑制の程度にかかわらず、安静時であれ運動時であれ、ラットの心血管系が基礎恒常性レベルを下回ることはなかった。この回路は心血管系を調節しているが、それは運動に反応したときだけである。
セントラルコマンドの機能不全は、既知の心血管系の病態に関与している。心不全は運動不耐性を高め、致死的心血管系イベントのリスクを増大させる。この機能障害を治療する臨床目標があれば、すでに心血管系に負担がかかっている患者の予後を大幅に改善することができる。
「運動が医学的に有益であることはすでに広く受け入れられていますが、その医学的有益性の背後にあるメカニズムはよく理解されていません」と智史は言う。「今回、運動中にどこで活動が起こるかが明らかになったので、これが今後の医療のターゲットになるべきだと考えています」