覚醒神経であるセロトニン神経が脳のエネルギー代謝調節機能を持つことを発見
当研究所睡眠プロジェクトの夏堀晃世主席研究員と本多真副参事研究員らは、動物を睡眠から覚醒させる覚醒神経の一つである縫線核のセロトニン神経が、脳のエネルギー代謝活動の調節機能を持つことを発見しました。セロトニン神経は動物を覚醒させるとともに、投射先である大脳皮質でグリア細胞の一種であるアストロサイトへ作用し、近傍の神経へ向けた乳酸の供給を促進させることで、皮質興奮性神経のATP（アデノシン三リン酸、細胞のエネルギー分子）の細胞内濃度を増加させることを示しました。
本研究は、学術変革領域（A）「グリアデコーディング」（21H05641）、武田科学振興財団、住友財団、かなえ医薬振興財団、光科学技術研究振興財団、先進医薬研究振興財団、文部科学省研究費補助金 JSPS KAKENHI（21H02526）の支援を受けて行われました。
この研究成果は、2023年1月5日（木曜日）11時（米国東部標準時）に国際学術誌『iScience』（電子版）に掲載されました。
- ＜論文名＞
- “Serotonergic neurons control cortical neuronal intracellular energy dynamics by modulating astrocyte-neuron lactate shuttle.”
（セロトニン神経はアストロサイト-ニューロン乳酸シャトルの調節を介して皮質神経の細胞内エネルギーを制御する） - ＜発表雑誌＞
- iScience
URL：https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(22)02103-4
研究の背景
脳のセロトニン神経は脳幹の縫線核から脳のほぼ全域へ投射し、投射先の神経活動を広く調節することで、気分や記憶の調節に関与するほか、動物を睡眠から覚醒させる覚醒神経としての役割を持ちます。覚醒時には脳全体で多くの神経が活性化し、それに伴い神経のエネルギー需要が増加すると考えられます。これまでに本研究グループは、動物の覚醒時に大脳皮質全域の興奮性神経において、細胞共通のエネルギー分子であるATP（アデノシン三リン酸）1) の細胞内濃度が増加することを報告しており、覚醒時には多くの脳領域で神経のエネルギー需要増加を上回るATP合成活動が生じていると考えられています。しかし、覚醒に伴う神経のエネルギー需要増加に対応するための脳内エネルギー代謝調節メカニズムがどのようなものか、これまで明らかになっていませんでした。
そのため本研究では、覚醒神経の一つであるセロトニン神経が、覚醒により生じる神経のエネルギー需要増加に対応するための脳代謝調節機能を持つかどうかを、マウスを用いた実験により検証しました。
研究の概要
本研究グループは、縫線核のセロトニン神経が主な投射先の一つである大脳皮質において、動物の睡眠-覚醒に伴うエネルギー代謝調節に働くことを発見しました。まずオプトジェネティクス2) という手法を用いて、生きたマウスにおいて縫線核のセロトニン神経を選択的に活性化させると、マウスが睡眠から覚醒すると同時に、投射先である大脳皮質の興奮性神経において、細胞のエネルギー分子であるATPの細胞内濃度が増加することを見出しました（図A）。次に、DREADD（Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drug）法3) を用いてこの縫線核セロトニン神経の活動を持続的に抑制すると、マウスがレム睡眠4) から覚醒したときに生じる大脳皮質興奮性神経の細胞内ATP濃度増加が減弱しました（図B）。このことから、縫線核のセロトニン神経は、動物が睡眠（特にレム睡眠）から覚醒するときに皮質興奮性神経の細胞内ATP濃度を増加させる機能を持つことが分かりました。
次に、セロトニン神経が皮質興奮性神経の細胞内ATP濃度を増加させる代謝調節メカニズムに、グリア細胞の一種であるアストロサイト5) が関与していることを明らかにしました。アストロサイトは、細胞内に独自のエネルギー源であるグリコーゲンを貯蔵しており、その分解により乳酸を産生して近傍の神経へ供給し、それにより神経のATP合成活動をサポートする機能を持つことが知られています（この乳酸供給経路を、アストロサイト-ニューロン乳酸シャトル：ANLSと呼びます）。本研究では、セロトニン神経の光活性化により、大脳皮質のアストロサイトにおけるANLSのトリガーとなる活動シグナル（Ca2+シグナルとcAMPシグナル）が応答して増加することと、同時に大脳皮質の細胞外乳酸濃度が増加することを、生きたマウスでの計測により明らかにしました。このことは、セロトニン神経が活性化すると、放出されたセロトニンが大脳皮質のアストロサイトへ作用し、アストロサイトでの乳酸産生と近傍の神経へ向けた乳酸の細胞外放出を促進していることを示唆します。さらに、このANLSの経路を薬物投与により阻害すると、セロトニン神経の光活性化による皮質興奮性神経の細胞内ATP濃度増加が減弱したことから、セロトニンによるANLSの促進が、皮質興奮性神経の細胞内ATP濃度増加を一部引き起こしていることが明らかとなりました（図A）。
社会的意義と今後の展望
本研究は、覚醒神経の一つであるセロトニン神経が、睡眠-覚醒に合わせた脳のエネルギー代謝調節に関与していることを世界で初めて報告しました。また本研究は、気分障害や不安障害、睡眠障害などセロトニン神経が関連する精神疾患において、脳のエネルギー代謝活動の異常やアストロサイトの機能異常が背後に存在する可能性を示し、新たな診断・治療法開発の礎となることが期待されます。
図（A）. セロトニン神経による脳内エネルギー代謝調節のメカニズム
生きたマウスにおいて縫線核セロトニン神経を光活性化すると、マウスは直ちに睡眠から覚醒する（セロトニン神経は覚醒神経としての機能を持つ）。同時に、大脳皮質で興奮性神経の細胞内ATP濃度（細胞のエネルギー分子）が増加する。そのメカニズムとして、放出されたセロトニンが大脳皮質でグリア細胞の一種であるアストロサイトへ作用し、Ca2+活動とcAMP活動を増加させ、アストロサイトから神経への乳酸供給活動（アストロサイト-ニューロン乳酸シャトル：ANLS）を促進させることで、皮質神経の迅速な細胞内ATP合成が引き起こされると考えられる。MCT2: 神経に発現する乳酸の（取込）輸送体。図（B）.セロトニン神経活動抑制による皮質神経ATP濃度の変容
DREADDシステムにより縫線核セロトニン神経の活動を抑制すると、マウスがレム睡眠から覚醒する際の大脳皮質興奮性神経の細胞内ATP濃度増加が減弱する。このことから、セロトニン神経は動物のレム睡眠から覚醒時の皮質神経ATP濃度増加を引き起こしていることが示された。＜用語解説＞
- 1) ATP（アデノシン三リン酸）：
- アデニン（プリン塩基）にリボース（糖）が結合したアデノシンを基本構造とし、これに3分子のリン酸が結合した核酸の一つ。各細胞内でグルコースを基に生合成されるが、乳酸からも合成できる。リン酸1分子が離れるとエネルギーが放出され、このエネルギーが細胞のあらゆる活動に利用される。すべての真核生物がATPをエネルギー源として利用し、その重要性から「生体のエネルギー通貨」と呼ばれる。
- 2) オプトジェネティクス：
- 光感受性のイオンチャネルを神経細胞に発現させ、外部から光照射することで特定の神経を人為的に活性化もしくは活動抑制する手法。本研究では、興奮性の光感受性イオンチャネルであるChR2（チャネルロドプシン）を縫線核のセロトニン神経へ選択的に発現させた遺伝子改変マウスを用い、縫線核へ向けて脳内へあらかじめ留置した光ファイバを通じて光照射を行うことで、セロトニン神経の活動を秒単位で活性化した。
- 3) DREADD（Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drug）法：
- 神経伝達物質アセチルコリンの受容体の一つであるムスカリン受容体のアミノ酸配列を一部改変した受容体を用いて、特定の神経の活動を人為的に増加あるいは抑制する方法。神経活動を増加させるためにはhM3Dq受容体を、抑制するためにはhM4Diを主に用いる。hM3DqとhM4Diは生体内に存在するアセチルコリンに反応せず、CNO (Clozapine-N-Oxide) という薬物に特異的に反応する。この受容体を特定の神経細胞に発現させてCNOを投与することで、目的神経の活動を数時間にわたり持続的に操作できる。本研究ではアデノ随伴ウイルスを用いてhM4Diを縫線核セロトニン神経に選択的に発現させ、CNOをマウスに腹腔内注射することにより、同神経の活動抑制を行った。
- 4) レム睡眠：
- 睡眠の状態の一つで、急速眼球運動（REM）を伴う睡眠。もう一つの睡眠状態であるノンレム睡眠（徐波睡眠）の後に多く出現する。骨格筋が弛緩し身体は休息状態にあるが、脳波は覚醒状態に近い活性を示し、シータ波（4-7Hz）が増加する。
- 5) アストロサイト：
- 星型の形態を示すことから星状膠細胞とも呼ばれる。脳全体に均一に分布し、神経細胞を構造的に支える支持細胞としての役割を果たすと同時に、神経と協調して伝達物質の放出や取り込みに関わる。また神経への乳酸供給や局所脳血流の調整など、神経活動をエネルギー面からサポートする役割を持つ。