2020 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, 特別研究員 (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 – 2022-03-31
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| Keywords | 慢性痛 / 運動療法 / 恐怖記憶 / 消去 / 扁桃体 / 腹側海馬 |
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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(VTA)のdopamine(DA)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。BLAのニューロンは均一ではなく、報酬行動に関わるPositive neuronsと、逃避行動に関わるNegative neuronsがある。実験の結果、自発運動(VE)により主としてNAcに投射する基底核内側部のGluニューロンが活性化されることがわかった。一方、CeAのGABAニューロンは、坐骨神経部分結紮手術(PSL)によりその活性化が高められたが、PSL+VEはこれらを抑制した。
2020年度は、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。2019年度にフットショックストレスシステムを購入し、恐怖条件付けの行動実験も開始した。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」に合致する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
腹側海馬(vHipp)は、BLAやCeAへの出力を介して恐怖の文脈化、条件付け、消去に影響を及ぼしている。しかし、CeAのGABAニューロンを介して恐怖行動に影響を及ぼすvHippとEIHとの関係は不明である。そこでNPPモデルマウスにVEを行わせて、EIH効果に及ぼすvHippの影響について検討した。NPPモデルマウスはPSLにより作製し、RunnerマウスにはPSL前後2週間のVEを行わせたところ、有意に疼痛行動が改善した。vHipp-CA1領域において、NPPに伴い高まったGluニューロンの活性化はVEにより抑制され、さらにCA1に局在するparvalbumin陽性GABAニューロンの活性化も高めた。PSL-SedentaryマウスのCeAに逆行性トレーサー・RetroBeads Red(RBR)を注入すると、CA1領域には多くのFosB陽性RBR陽性ニューロンが観察された。PSL-マウスの恐怖記憶の消去がVEにより促進されるかどうかを調べたところ、PSL-Runner群ではPSL-Sedentary群と比較してfreezing時間の著しい短縮を認めた。以上より、EIH効果にはVEに伴う恐怖記憶の消去が重要な役割を担い、これにはvHipp-CeA経路の抑制が関与することが示唆された。
mPFCの背側部と腹側部は、げっ歯類ではそれぞれ、prelimbic cortex (PL)/infralimbic cortex (IL)と呼ばれ、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ない。我々の予備実験による検討では、PLおよびILでは、VEに伴うGABA介在ニューロンの抑制を介して活性化した（脱抑制）Gluニューロンが、NAcを活性化することがわかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで、慢性痛患者で機能不全を示すmeso-cortico limbic systemが、運動により活性化することで痛みが抑制され、QOLが改善することを動物実験で示してきた。とくにmeso-cortico limbic systemの中核で情動系と運動系のインターフェースとして働いている側坐核(NAc)の活性化が重要であることを示した。NAcはBLA, mPFC, vHippから興奮性の入力を受けるが、我々はまず運動がBLAからNAcへの投射を促進し、ポジティブな行動を起こすことを明らかにした。
mPFCは齧歯類ではPLとILに分けられ、PL,ILはその投射領域も機能も異なっている。我々のpreliminaryな検討では、PLおよびILでは、VEに伴うGABA介在ニューロンの抑制により活性化した（脱抑制）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ている。今後はPL.ILからNAc,PAGへの投射とVEによる影響について検討し、PL,ILの機能の違いを明らかにする。
また昨年度は、vHippからBLA, CeAへの興奮性の投射が運動により抑制されることを明らかにしたが、vHippからNAcへの投射が運動によりどのような影響を受けるかということについても検討する。Meso-cortico limbic systemに属するVTA, NAc, mPFC, 扁桃体(BLA/CeA), vHippおよびこれらのネットワークが、運動によりどのような変化を示すかというこれまでの実験結果をまとめ、meso-cortico limbic systemの機能を統合的に理解することを目指す。運動療法奏効の脳メカニズムを解明することにより、運動療法の慢性痛治療への応用をさらに促進する。
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| Causes of Carryover |
今年度は2019年度に購入したマウス用フットショックストレスシステムを用いて、恐怖条件付けの形成と消去の行動実験を中心に行った。また、新しく研究グループに加わった大学院生に対し、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の実験手技の指導に多くの時間を使った。新型コロナの感染拡大で在宅勤務が増えたため、動物実験の時間が減ったことが、動物や試薬、抗体などの購入が減り、研究費の次年度使用額が生じた原因と考えられる。今年度は、2019年度に行った扁桃体の仕事を論文にまとめ投稿すること、いくつかの関連する総説をまとめること、Webでの講演や学会発表などに多くの時間を使った。今後の計画としては、vHippおよびmPFCの実験をさらに進めてそれぞれ論文にまとめる。その内容も含めて、EIHにおけるmeso-cortico limbic systemの役割に関する英文の総説をまとめて投稿する。次年度の研究費は、動物、試薬、抗体などの物品費と、論文投稿・掲載のために使用する。
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