2019 Fiscal Year Research-status Report
Brain mechanisms of exercise-induced hypoalgesia: possible involvement of the Reward system
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18K07372
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| Research Institution | Wakayama Medical University |
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Principal Investigator |
仙波 恵美子 和歌山県立医科大学, 医学部, 名誉教授 (00135691)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上 勝也 和歌山県立医科大学, 医学部, 博士研究員 (20204612)
成田 年 星薬科大学, 薬学部, 教授 (40318613)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 慢性痛 / 神経障害性疼痛 / 運動療法 / 脳報酬系 / 辺縁系 / 側坐核 / 扁桃体 / 恐怖条件付け |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、運動による鎮痛(Exercise-induced hypoalgesia:EIH)の脳メカニズムを解明し、運動療法の有効性と科学的根拠を明らかにすることである。慢性痛患者の病態の根幹には、脳報酬系の不活化があるため、2018年度は脳報酬系に焦点を当てて研究を進め、運動により腹側被蓋野のdopamineニューロンが活性化される神経メカニズムを明らかにした。2019年度は、慢性痛患者においては、脳報酬系を含むmesocortio-limbic systemが機能不全に陥っていることから、その中核として働く側坐核(NAc)および扁桃体に注目して研究を進めた。扁桃体は入力系として基底外側核(BLA)、出力系として中心核(CeA)から成り、BLAニューロンはGlu作動性、CeAニューロンはGABA作動性である。痛み情報は次の２つの経路により扁桃体に入力する。中枢でのprocessingを経た痛み情報はBLAを経てCeAへ、末梢からの痛み情報は、外側傍腕核(PBL)を経てCeA、とくに capsular region (CeC)に直接投射する。CeAからは視床下部や脳幹に投射して、すくみ反応などさまざまな精神身体症状の発現させる。研究の遂行にあたり、神経障害性疼痛モデルとして坐骨神経部分結紮手術(PSL)、自発運動として回転盤を設置したケージでのマウスの飼育、FosB/⊿FosBの発現を指標として、運動により活性化するニューロンの同定、逆行性蛍光色素Retro-beads Redの微量注入によるニューロンの投射先の同定、および蛍光免疫多重標識法を確立した。PSLと運動は、扁桃体を構成するBLAとCeAにおいてそれぞれ特徴的な反応を引き起こした。さらに、恐怖条件付けやその消去においても重要な働きをしている内側前頭前野(mPFC)や海馬についての検討も開始した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
BLAには、CeAに投射するnegative neuronsとNAcに投射するpositive neuronsがある。前者だけを光遺伝学的に刺激すると、動物はすくみ反応を示し、後者だけを刺激すると、報酬系が刺激され適切な逃避行動を起こす。さらに扁桃体基底核(BA)を内側部と外側部に分けてその投射先を調べると、外側部はCeAに、内側部はNAcに優位に投射することがわかった。そこで、BAをlatBAとmedBAに分けて、PSLと自発運動に対する応答を検討したところ、NAcに投射するニューロンはmedBAに多く存在し、自発運動によってより多く活性化された。これらの結果から、自発運動はとくにNAcに投射するmedBAのGluニューロンを活性化して報酬行動を引き起こすと思われる。
次に、CeAに対するPSLと運動の影響を検討した。PSLによりCeAにFosB陽性ニューロンが多数観察されたが、PSL後自発運動をした群では顕著に減少した。これは、一つにはEIHにより扁桃体への痛み入力が減少したことによると思われるが、運動により痛みに対する恐怖や不安は和らぎ、すくみ行動や自律神経症状も抑制されることを示している。
mPFCの背側部と腹側部は、それぞれげっ歯類では、prelimbic cortex (PL)，infralimbic cortex (IL)と呼ばれている。PLは恐怖条件づけの形成に、ILはその消去に関わる。慢性痛患者では、ILニューロンが抑制されており、恐怖条件付けを消去出来ず、痛みに抗して行動を起こせない。我々のpreliminaryな検討では、PLおよびILでは、自発運動に伴うGABA介在ニューロンの脱抑制を介して活性化したGluニューロンが、NAcを活性化することに加え、PAGにも投射して下行性疼痛抑制系も活性化してEIH効果に関与する可能性が示された。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度にフットショックストレスシステムを購入し、恐怖条件付けの実験を開始した。神経障害性疼痛(NPP)モデル動物では恐怖条件付けの消去が障害されていることが明らかにされており、これは慢性痛患者では、身体を動かして痛みが増強することに対する恐怖から動くことを回避し、痛みの増強と慢性化を来たすという「恐怖―回避モデル」に一致する。恐怖条件付けの消去には、mPFCの腹側部、すなわちILと腹側海馬が重要な働きをしているため、NPPモデルにおいてこれらの領域が神経障害と自発運動に対しどのように反応するかということを明らかにする。mPFCについては、preliminaryなデータを出しているが、さらにPL, ILの違いについて詳細に検討する。海馬(Hipp)は背側(dHipp)と腹側(vHipp)に区分され、それぞれ空間記憶や学習を含む認知機能と情動に関与し、とくにvHippからはBLAやCeAに投射して恐怖の文脈化、条件付け、消去に働いている。昨年度、我々はEIH効果と扁桃体との関係を検討し、NPPにより高まったCeAのGABAニューロンの活性化は自発運動により抑制されることでEIHに関与することを明らかにした（投稿中）。今年度は、PSLと自発運動がvHippの錐体細胞およびGABA介在ニューロンに与える影響について検討する。さらに、vHippからはNAcやBLA, CeAなどに投射するため、逆行性トレーサーRBRを注入して投射先を明らかにした錐体細胞に対するPSLと自発運動の効果を明らかにする。また、GABA介在ニューロンにはparvalbuminや各種ペプチドを含有するsubgroupが存在するが、それらの役割についても検討する。これらのデータにより、EIHにおけるmesocortico-limbic systemの役割の全貌を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
本研究を遂行するための方法論、神経障害性疼痛モデルとして坐骨神経部分結紮手術(PSL)、投射するニューロンの同定のためのRetro-beads Redの微量注入、蛍光免疫多重標識法などはすでに確立しており、計画的に実験を進めたので、動物や試薬、抗体などを無駄に使うことが少なかったためと思われる。必要最低限の試薬や抗体の使用で、予想以上に多くのデータを得ることが出来た。2019年度の主な支出は、マウス用フットショックストレスシステムであり、2020年度は恐怖条件付けの形成と消去の行動実験に使用する。恐怖条件付けの消去に重要な役割を果たしているのが、腹側海馬とmPFCのILであり、慢性疼痛患者ではこれらの領域のGABA作動性介在ニューロンが活性化して投射ニューロンが抑制されていることから、恐怖条件付けの消去が障害されるため、慢性痛から抜け出すことが出来ないと考えられる。腹側海馬から側坐核や扁桃体、mPFCに投射するニューロン群のEIHへの関与についても同様の方法論で検討を行う。海馬や大脳皮質のGABA作動性介在ニューロンには、parvalbuminをはじめ、各種ペプチドを含有するサブグループが存在するので、それらに対する抗体の購入が必要になると思われる。さらに、光遺伝学的手法を用いた検討が必要になれば、研究費の使用は増えることが予想される。
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