共同研究・競争的資金等の研究課題

ウィルパワーは、負の事象を回避する/すでに起きてしまった負の事象から脱出するという目的を果たすときにも駆動される。本課題では、これまであまり知られてこなかった「嫌なことから逃げるときに駆動されるウィルパワー」の神経基盤を明らかにすることを目的とした。 まず、負に立ち向かうウィルパワーをマウスで定量する評価系 (active avoidance test)の構築に取り組んだ。嫌なこと（電気ショック）を回避するために、どれだけコストを払うのか、オペラント条件付けを利用した行動評価系である。トライアル開始から60秒間ブザーが鳴る。その間に、要求されたレバー回数（5回）を押しきるとブザーが止み、電気ショックを回避できる。5回押すことができなければ、10秒間の電気ショックを受ける。電気ショックが開始されたとしても5回のレバーを押しを達成できれば電気ショックが止まり、ブザー音も止まる。このようにして、電気ショックを回避するためのオペラント行動、電気ショックから脱出するためのオペラント行動を観察する実験系を確立した。 次に、active avoidance testとファイバーフォトメトリー法を組み合わせて、腹側線条体D2-MSNの神経活動変化を記録した。ショックを回避した直後にD2-MSNの活動が低下することが明らかになった。これは負の強化子の獲得直後にD2-MSNの活動が低下すると解釈できる。一方で、通常の餌とレバーを関連づけたオペラント行動においては、餌の獲得、つまり正の強化子の獲得直後にD2-MSNの活動が増加する。いずれも行動を増やす強化子として位置づけられるものの、強化子獲得時の腹側線条体の活動が全く異なることを明らかにした。 平成30年度が最終年度であるため、記入しない。 平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

意欲行動は、行動の開始、行動の持続、目的の達成という段階に分けることができる。意欲行動の持続にかかわる神経基盤は全く分かっていない。予備実験により、腹側線条体へ投射する腹側海馬が、意欲行動の持続に関与するという仮説をたてるに十分な根拠を得た。本研究では、腹側海馬が意欲行動の持続を制御するという仮説を証明するとともに、その神経回路基盤、分子基盤をも明らかにする。

脳の広範な機能の理解には神経細胞以外の細胞要素、特に神経細胞と接して存在するグリア細胞の情報を読み出す必要がある。本領域の目標はグリア細胞の状態・機能・細胞間シグナル伝達を包括的に読み出す技術（デコーディング技術）を開発し、脳と身体の間での生体情報の統合を理解する所にある。このような研究を推進するには従来の脳科学研究の成果を踏まえつつも、全く異なるアイディアや計測技術を取り込み、異分野との連携を行う必要がある。総括班ではこのような研究の新規性、技術的優位性、異分野連携に特に力を入れて目標達成に向けた領域の推進に貢献する。

我が国で頭痛やめまいの症状を持つ患者数は3,000万人を超えると言われており，それに伴う気分の揺らぎに伴うパフォーマンスの低下は，社会全体の活動低下を招いている．これらの患者のなかには，心的ストレスが原因となって身体の不調を訴える症例が多く含まれているが，なぜそのような身体化の症状が生じるかは十分に解明されていない．本研究では，健常者・身体症状症・片頭痛・メニエール病の患者を対象として，自律神経活動，身体状態の変化を感知する内受容感覚，予測的情報処理に基づく信念形成の特性に着目し，気圧変化に対する身体・認知特性を明らかにする．そして，症状改善に向けたプロトコルの開発に取り組む．

ドキシサイクリン(DOX)投与によりNKCC1の発現が保たれるNKCC1-DOXマウスにおいて、生後３週から投与を中断することで数カ月にわたり蝸牛における発現が徐々に低下すること、NKCC1の発現低下に合わせて緩徐に進行する難聴が誘導されることを、それぞれ免疫組織学的解析・聴性脳幹反応の計測により明らかにした。このことから、NKCC1-DOXマウスは、ヒトの長期的な変動性難聴を模倣するモデル動物として有用であることが示唆された。さらに、微小ガラス電極を蝸牛内に挿入する電気生理学的解析により、予備的ではあるが、難聴の進行と併せて蝸牛内特殊体液の電位が低下していく結果が得られた。これらのことから、本モデル動物では、DOX投与の中断によるNKCC1発現の低下に従い、蝸牛の側壁を構成する血管条のイオン輸送機能が低下し、蝸牛内のイオン・電気的環境が破綻することで、緩徐進行性の難聴が引き起こされることが示唆された。 また、光照射によって蝸牛のイオン輸送機能が低下し、急性難聴を呈するChR2マウスにおいて、音を与えている最中の蝸牛電位を蝸牛に対して非侵襲に測定する手法の基礎を確立した。この手法を用いることで、音に対する蝸牛の電気応答が、1分程度の非常に短時間の光照射で減弱すること、光照射をやめると１～2分で蝸牛機能が回復することを明らかにした。本手法では、同一の蝸牛において光照射による蝸牛機能の障害と回復を15回程度繰り返し、反復的な難聴が安定して見られることを確認している。これらのことから、ChR2マウスは急性かつ反復性の難聴を模倣するモデル動物として活用できることが示唆された。 計画の通り、NKCC1-DOXマウスを用いた緩徐発症型の変動性難聴モデル動物、および光遺伝学的手法を用いた急性発症型の変動性難聴モデル動物の確認・樹立に成功した。さらに、難聴が起こる原因として、さらなる確認は必要ではあるが、蝸牛内のイオン・電気的環境が破綻している可能性を示した。上記のモデル動物は、それぞれ長期的・短期的な聴力変動を誘導することができるため、今後の計画である、ヒト難聴に見られる変動性難聴の症状反復による重症化のメカニズム探索において、有用なツールとして活用できることが期待された。 これまでに樹立した二種の変動性難聴モデル動物を用いて、2つの電気生理的解析アプローチの方法論をさらに確認・確定すると共に、ヒト難聴に見られる長期間の反復による不可逆化といった重症化のメカニズムを明らかにする。まず、上記のモデル動物を用いて、様々な期間や頻度で難聴を繰り返し誘導し、重症化する条件を探索する。さらに聴覚を司る蝸牛組織の機能と形態を調べることで、重症化の責任組織を明らかにする。また、責任組織が特定されたら、タンパク質の網羅的解析により組織機能変化の原因となる分子の候補を同定する。

本研究の概要は、神経回路、グリア細胞、血管等の複数の異なる脳内機能要素間を統合するメカニズムを探索する研究である。また、脳内エネルギー代謝は、脳のサバイバルを担うに留まらず、神経回路を流れる情報そのものの特性を左右する存在であることを明らかにする。さらに、本研究では、末梢から中枢へと伸びる迷走神経を、生来の中枢へのアクセスルートとして人為的に活用し、脳内環境を遠隔操作することにも挑戦する。グリア細胞を起点とするエネルギーのスマート供給システムを調整し、神経・精神疾患の治療原理を開拓する。

事後報告書をまとめるため、研究代表者（池中）と分担者（岡部、尾崎、小泉、田中、竹林）が打ち合わせを行い、その後、メールや電話で相談した。まとめた事後報告書を文部科学省に提出し、平成３０年１０月１日に岡部、小泉、久島（尾崎代理）の３名で事後評価ヒアリングに参加し、岡部がプレゼンテーションを行なった。その結果、Aの評価を得た。その後、研究代表者を池中から竹林へと交代し、業務を滞りなく引き継いだ。事後報告書に基づき、最終報告書の冊子を作成するために本領域の計画班員、公募班員から論文業績、特許、広報などに関する情報を集め、領域の最終評価書のアウトラインを作成した。以上の情報に加え、文科省からの評価書を受領し、５年間の班会議、公開シンポジウム、若手の会などの活動状況、アウトリーチ活動、ホームページを介した広報活動などをまとめ、平成３１年２月下旬に研究代表者と研究分担者で最終報告書を校正・校了した。最終報告書を１６０部印刷し、班員および関係者に広く配布した。なお、代表論文の掲載を含んだ製本を行なうと、ページ数が増えるうえにコストもかかるため、論文業績はタイトル、著者名、雑誌名、巻、ページ番号、doiのみを表記することとした。 平成30年度が最終年度であるため、記入しない。 平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

チャネルロドプシン2（ChR2）をセロトニン神経特異的に発現させたTph2-ChR2トランスジェニック（TG）マウスを作製し、セロトニン神経の刺激によって、リズミカルな咀嚼筋活動を誘発する条件を探った。その結果、持続時間10 msec, 30 Hzのパルス状の光照射を1秒間行った後4秒休止し、これを10分間繰り返すパターンの光照射に切り替えたところ、照射直後から約5分間、10Hz前後のリズミカルな咬筋活動が、全ての個体(n = 4)で誘発された。10分間全く光照射をしない期間を挟んで、再度光照射を続けたところリズミカルな咬筋活動の発生確率は徐々に減少し、4回目の光照射ではリズミカルな咬筋活動が誘発できなくなった。 また、三叉神経運動核を含んだ脳幹スライス標本を作製し、咬筋運動ニューロンの膜電をパッチクランプ法にて記録し、閉口筋筋紡錘からの一次求心性線維の電気刺激により咬筋運動ニューロンにシナプス後電位を誘発し、セロトニン投与の影響を調べた。その結果、シナプス前ニューロンの5-HT1B受容体の活性化によって、閉口筋筋紡錘からの一次求心性線維の刺激による興奮性シナプス後電位が抑制されることが明らかとなった。 さらに除脳ラット動脈灌流標本の咀嚼様顎運動誘発については、吻尾的に顔面神経核から舌下神経核の間のレベルの巨細胞性網様核および傍巨細胞性網様核の連続電気刺激によって、さまざまなパターンのリズミカルな顎運動が誘発できることが明らかとなった。 チャネルロドプシン2（ChR2）をセロトニン神経特異的に発現させたTph2-ChR2トランスジェニック（TG）マウスの光照射によるセロトニン神経刺激によって、意外なことにリズミカルな顎運動が誘発されることが明らかとなった。一方で、アーキロドプシンTP009 (ArchT)などを発現させたTGマウスを使ったセロトニン神経の抑制をまだ試みていない。また、脳幹で吻尾方向に広がるセロトニン神経の存在部位によって効果に違いがあるかも未解析である。 除脳ラット動脈灌流標本における咀嚼様運動の誘発に成功し、従来知られていなかった様々な運動パターンが誘発されることが明らかとなった。一方、細胞内Ca2+シグナルの記録によってセロトニン神経の活動を直接解析することは行えていない。 チャネルロドプシン2（ChR2）をセロトニン神経特異的に発現させたTph2-ChR2トランスジェニックマウスに光照射を行うことで誘発されたリズミカルな顎運動について、自由行動下の動物のどのような時の運動に相当するか、どの部位のセロトニン神経の活動が重要なのか、脳幹のどの部位の神経回路に影響してリズミカルな顎運動を起こしているかなどを調べる。また、アーキロドプシンTP009 (ArchT)を発現させたTGマウスを使って、リズミカルな顎運動中にセロトニン神経を抑制し、その効果を調べる。 除脳ラット動脈灌流標本に誘発された咀嚼様顎運動については、電気刺激を加えることで咀嚼様運動が誘発された巨細胞性網様核および傍巨細胞性網様核について、グルタミン酸などを同部位に微量注入することで同部のニューロンを刺激した場合、逆にイボテン酸注入などによって同部の神経細胞の破壊などを行い、これらの部位の神経細胞が活動して咀嚼様活動が誘発されているのかどうかを調べて基本的な性質を明らかにしたのち、セロトニン神経系の影響を解析する。

脳由来神経栄養因子（BDNF）の発現が増えること・減ることが気分を変化させ、精神疾患発症に関与すると考えられていた。本研究では、この仮説を実験動物個体で証明することに取り組んだ。BDNFの発現を時期特異的、脳領域特異的に増やす・減らす介入を行った。ストレス負荷が無いと考えられる通常飼育では、いかなる介入も情動・認知に影響を与えなかった。涙の基礎分泌を自律神経応答の指標として、ストレス負荷からの回復過程を調べたところ、BDNFの発現低下は、ストレスからの回復を遅くさせた。このことから、BDNFは健康な状態よりもむしろストレスが負荷された状態において、機能を発揮する分子であると推測された。 うつ病のバイオマーカーとして血液中のBDNF量が注目されている。これまでは、うつ病の診断基準を満たすかどうかで疾患群と健常群を分けて解析されてきた。今回の研究から、BDNFはうつ病の直接的な原因というよりも、ストレス応答にかかわる分子であることが示唆された。それにより、ヒトにおいて高ストレス状態・低ストレス状態の分類や、ストレスレジリエント・ストレス脆弱の分類を設けて、BDNF量を解析することを提案できる。うつ病のかかりやすさや初期症状をストレス応答で切り分ける研究へと展開することが期待できる。