国立精神・神経医療研究センター(NCNP)は3月8日、動いている最中に手足の感覚が感じにくくなる、脳の仕組みを明らかにしたと発表した。

同成果は、NCNP 神経研究所 モデル動物開発研究部の関和彦部長、同・窪田慎治室長らの研究チームによるもの。詳細は、ライフサイエンス全般を扱う学術誌「Cell Reports」に掲載された。

  • 今回の実験の概要

    今回の実験の概要(出所:NCNP Webサイト)

皮膚から脳へと伝わる感覚信号は常に一定ではなく、運動によって変化することがわかっている。たとえば、自ら腕を動かす場合(自動運動)と、他者や機器などによって動かされる場合(他動運動)では、同じ動作でもその感じ方が異なる。実際、両運動それぞれの条件において、末梢神経を刺激することで誘発される脳活動を調べてみると、自動運動時には誘発される脳活動が減少するのに対し、他動運動時にはそのような脳活動の変化は見られないという。また、統合失調症患者では、この自動運動に伴う感覚の抑制が少ないことから、"自分がやっても他人がやっても同じように感じる"ような、自己と他者の区別ができなくなる精神症状などと関連しているとする研究もある。

運動に伴い感覚信号が減弱する現象は「感覚ゲーティング」と呼ばれ、自動運動と他動運動を区別するための脳の仕組みと考えられているが、それを生じさせる脳内の仕組みはまだわかっていないという。

そこで研究チームは今回、皮膚が刺激された際に生じる感覚信号が、必ず延髄にある脳の最深部にあり、直径数ミリの小さな神経核「楔状束核」を通って脳に伝わることに注目。サルが手首を動かしている最中に、同神経核の神経活動を記録することで、運動に伴う感覚信号の変化を引き起こす脳の仕組みの解明を目指すことにしたという。

今回の研究では、MRI画像とCT画像を組み合わせて電極位置をナビゲーションするシステムと共に、楔状束核から選択的に神経細胞活動を記録する方法が開発された。なお、脳が運動に応じて感覚信号を調整する仕組みを理解するためには、記録される神経活動の変化が、皮膚に加わる刺激自体が変化したものなのか、脳が感覚信号の調整を行った結果なのかを区別する必要がある。そこで今回は、サルの前腕の皮膚を支配している末梢神経に電極を埋め込み、同じ強度の電気刺激を加えることでその問題を解決し、皮膚感覚からの入力信号を受け取る楔状束核の神経活動が記録された。

  • 実験の方法

    実験の方法。(左)サルの前腕の皮膚感覚神経を電気刺激し、刺激に反応する延髄楔状束核細胞の活動が記録された。(右)電気刺激によって活動する楔状束核細胞。刺激により誘発される神経活動(感覚誘発電位)と、単一の神経細胞の活動が記録された。この神経細胞は、刺激直後に高頻度に活動することから、皮膚神経から入力を受ける感覚細胞であると判断できるという(画像中ヒストグラム)(出所:NCNP Webサイト)

次に、脳内において皮膚感覚が、自動運動と他動運動とで異なって処理されていることを解明するため、手首の屈曲伸展運動を自動的と他動的の2条件で、楔状束核の神経活動が記録され、運動に伴う感覚信号の変化が測定された。その結果、自動運動では、信号が楔状束核に到達した自転で減弱していることが判明。自動運動では、感覚信号が脳に伝わった時点ですでに抑制されていたのである。それに対し、他動運動中には、抑制はほとんど見られなかったという。このことから、随意的な運動発現に関連する脳領域からの信号が、楔状束核での感覚抑制に関与していることが考えられるとした。

  • 覚醒行動下におけるサルの前腕の皮膚感覚神経が電気刺激され、それにより誘発される延髄楔状束核の神経活動が記録された

    覚醒行動下におけるサルの前腕の皮膚感覚神経が電気刺激され、それにより誘発される延髄楔状束核の神経活動が記録された。サルが手首を(1)安静、(2)手首運動、(3)力維持している際に刺激され、誘発される神経活動の大きさ(感覚誘発電位)が測定された。自動運動では、安静時に比べ感覚誘発電位が小さくなる(青色部分)。一方、他動運動では、神経活動の大きさに変化は見られない(出所:NCNP Webサイト)

さらに、このような感覚抑制を引き起こす入力源を解明するために、楔状束核で記録された個々の神経細胞の皮膚感覚入力に対する応答の変化とその時間経過について、両運動時で詳しく解析された。すると、自動運動時には、感覚入力応答が運動開始前の約400ミリ秒前からすでに低下していたという。これは、皮膚感覚が、運動するかなり前の時点で抑制されていることを示す結果とした。なお、この自動運動時に入力応答が減弱する神経細胞のうち、約3割は他動運動時にも運動時に減弱が認められたとする。しかし、その減弱は運動開始後から見られ、自動運動時と比べて明らかに異なっていたという。

  • 皮膚感覚神経への刺激に反応する楔状束核の神経細胞が同定された後、運動に伴う活動応答が測定された

    (上)皮膚感覚神経への刺激に反応する楔状束核の神経細胞が同定された後、運動に伴う活動応答が測定された。この時、神経細胞が刺激に応答する割合を測定することで、感覚入力に対する反応性が確認された。感覚入力信号の伝達が抑制されている場合、刺激に対して神経細胞は活動しないため、応答反応の程度は全体的に低下する(運動・保持における反応の低下)。(下)自動運動と他動運動で、細胞の活動応答の変化が確認されたところ、自動運動では運動開始の約400ミリ秒前から抑制が生じた。他動運動では運動開始時から抑制される。自動運動では、運動前から感覚信号を抑制することで、運動の準備状態を作っていると考えられる。また、このような感覚抑制が起こるタイミングの違いは運動の区別に関わっていると考えられる(出所:NCNP Webサイト)

運動開始前は運動に関連する脳領域が主に活動し、運動開始後は脳の活動に加え皮膚や筋の感覚受容器も活動する。つまり、今回観察された自動運動の感覚抑制の時間変化は、筋活動を作り出すのと同等の、脳からの運動指令によって引き起こされたものだったとのこと。以上の結果から、感覚抑制の調整が脳内の運動指令中枢によって制御されていることが明らかにされた。

なお、今回発見された仕組みにより、高次脳領域では感覚情報処理にかかる負担が軽減され、"柔らかさ"や"なめらかさ"など、より複雑な触感覚の認識を可能にしていることが考えられるとした。

また、この仕組みは、健康な動物の感覚情報処理様式を示すと同時に、さまざまな疾患による感覚運動異常を共通して説明しうるものとする。特に、両運動の感覚入力信号に対する調整様式の違いは、自己と他者の運動区別に関わっていることが考えられるとした。今後は、統合失調症などにおける自他混同などの病態の背景として、楔状束核の機能異常に着目した新たな治療法の開発が期待されるとしている。