吸啜リズムを形成する神経回路網の解明

• Project/Area Number: 20K07266
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 48020:Physiology-related
• Research Institution: Showa University
• Principal Investigator: 飯塚 眞喜人 昭和大学, 医学部, 准教授 (40274980)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2020: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
• Keywords: Phox2B / 吸啜 / 新生ラット / 脳幹-脊髄摘出標本 / しゃっくり / 脳幹－脊髄摘出標本

Outline of Research at the Start

脳幹領域の発生・分化に不可欠な転写因子としてPhox2b遺伝子が知られており、我々はPhox2b陽性ニューロンにチャネルロドプシンを発現させた遺伝子改変ラットを作成した。そして新生ラットの頭部背側から光を照射すると吸啜運動が誘発されることを発見した。さらに脳幹-脊髄摘出標本でも吸啜リズムを誘発できることが分かり、吸啜リズム形成に関与する神経回路網・ニューロン・イオンチャネルの研究が初めて可能になった。この新しい誘発方法、脳幹-脊髄摘出標本、電位感受性色素による光学測定、ホールセル記録と免疫組織化学染色法、in situ hybridization法等を用いて吸啜リズム形成回路の全容を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

吸啜は乳児が母親から栄養を得るために不可欠なリズム運動である。しかし有効な誘発方法が無かったため、吸啜リズム形成回路網はブラックボックスであり、その理解は遅れている。脳幹領域の発生・分化に不可欠な転写因子としてPhox2b遺伝子が知られており、我々はPhox2b陽性ニューロンにチャネルロドプシンを発現させた遺伝子改変ラットを作成した。そしてこの新生児の頭部背側から光照射すると口のリズム運動が誘発されることを偶然発見し、このリズム運動が吸啜運動であること、脳幹－脊髄摘出標本においても機能していることを示唆した。本研究の目的はこの新しい誘発方法を用いて吸啜リズム形成回路の全容を解明することである。
ところが麻酔した遺伝子改変ラット新生児を用いて、顎二腹筋、咬筋、横隔膜から筋電図を記録し、光照射により誘発される吸啜様運動時の活動パターンを調べた結果、顎二腹筋は開口、咬筋は閉口に一致した交代性活動を示し、横隔膜は吸息性活動のみであった。この活動パターンは脳幹－脊髄摘出標本で観察される横隔・三叉・舌下神経間で同期したリズム活動とは異なる。さらにこの麻酔新生ラットで光刺激により口の開閉運動を伴わないしゃっくり様のリズム運動が誘発されることに気づいた。このしゃっくり様運動時、大きな横隔膜の活動に同期した顎二腹筋と咬筋の活動が観察された。以上の結果から脳幹－脊髄摘出標本で観察されたリズム活動はしゃっくりであることが示唆された。研究期間中、吸啜中枢であると考え、孤束核内に局在することまで明らかにしたが、それはしゃっくり中枢の位置であった。現在、摘出標本を用い、NMDAやサブスタンスPなどの灌流下で光刺激により吸啜様リズムを誘発できないか調べているが、成功していない。当初の研究目的と変わってしまったが、本研究によりしゃっくり中枢の位置の特定に成功した。

Research Products

• [Presentation] Activity patterns of the digastric, masseter, diaphragm, and abdominal muscles during hiccup-like movements induced by stimulation of Phox2B-positive neurons in the dorsal brainstem (2024)
  • Author(s): Iizuka M, Ikeda K, Igarashi H, Kobayashi K, Onimaru H, Izumizaki M.
  • Organizer: 第101回日本生理学会大会
• [Presentation] Activation of Phox2b neurons in the dorsal brainstem induced sucking-like, swallowing-like and hiccup-like movements (2023)
  • Author(s): Iizuka M, Ikeda K, Igarashi H, Kobayashi K, Onimaru H, Izumizaki M.
  • Organizer: Neuroscience Annual Meeting 2023, Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Activation of Phox2B-positive neurons in the dorsal medulla induced sucking and hiccup (2023)
  • Author(s): Iizuka M, Ikeda K, Igarashi H, Kobayashi K, Onimaru H, Izumizaki M
  • Organizer: The 100th Anniversary Annual Meeting of The Physiological Society of Japan
• [Presentation] Activation of Phox2b neurons in the dorsal medulla induced sucking and hiccup movement. (2022)
  • Author(s): Iizuka M, Ikeda K, Igarashi H, Kobayashi K, Onimaru H, Izumizaki M
  • Organizer: The 15th Oxford Conference on Modelling and Control of Breathing
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Phox2b-positive neurons located in the solitary nucleus is essential to trigger sucking (2021)
  • Author(s): Iizuka M, Ikeda K, Igarashi H, Kobayashi K, Onimaru H, Izumizaki M,
  • Organizer: 第98回日本生理学会大会