痛みを感じた時の脳内の神経回路変化をホログラフィック顕微鏡によって解明

2021-03-222021-09-30

2021-03-20 名古屋大学,神戸大学,科学技術振興機構,日本医療研究開発機構

ポイント

痛みの急性期の大脳皮質第一次体性感覚野において、神経細胞の自発的な活動と細胞間の活動相関性が増加すること、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し、痛み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。
痛みの急性期の大脳皮質第一次体性感覚野では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、その阻害薬の局所投与(脳室内および体性感覚野の脳表)が痛みの緩和に有効であることも明らかになりました。
今回の発見は、痛みが慢性化した慢性疼痛患者の治療法開発につながる可能性があります。

東海国立大学機構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(神戸大学先端融合研究環兼務)、加藤大輔　助教、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　教授らのグループは、2光子顕微鏡を用いた生体カルシウムイメージング法およびホログラフィック光刺激により、痛み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、痛みが形成される際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。本研究は、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　教授との共同研究およびニューサウスウェールズ大学のAndrew J Moorhouse　博士との国際共同研究として行われました。

痛み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、痛みの強度や部位の認知に重要な役割を担っており、痛みの急性期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。しかし、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、これらの変化が痛みの形成や維持に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、痛みの急性期に大脳皮質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、痛み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、このチャネル阻害薬投与が、痛みの感じやすさの緩和に有効であることも明らかになりました。この発見は、痛みが慢性化した慢性疼痛患者の治療法につながる可能性が期待されます。

この研究成果は、2021年3月19日(米国東部時間)、「Science Advances」に掲載されます。

本研究は、JST 戦略的創造研究推進事業 CREST「光の特性を活用した生命機能の時空間制御技術の開発と応用」研究領域における研究課題「ホログラム光刺激による神経回路再編の人為的創出」(研究代表者:和氣弘明)、AMED 創薬基盤推進研究事業「神経回路基盤の網羅的解析による神経・精神疾患に対する創薬技術向上を目指した評価系の構築」、日本学術振興会のサポートを受けて行われました。

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