2種類の外側腕傍核のCckニューロンが担う水分欲求および塩分欲求をフィードバック制御する機構の解明 水と塩の摂取を適切に制御するための仕組み

東京工業大学 科学技術創成研究院 生体恒常性研究ユニットの松田隆志特任助教、野田昌晴特任教授らの研究グループは、生物の水分欲求および塩分欲求を一過性に抑制する2種類の神経細胞を発見し、その働きを初めて明らかにした。水分および塩分を摂取したとき、後脳にある外側腕傍核（LPBN）^[用語1]においてコレシストキニン（Cck）^[用語2]遺伝子を発現する2種類の神経細胞（Cckニューロン）が活性化すること、その結果、水分・塩分欲求が一過性に抑制されることが分かった。水分摂取に応答するCckニューロンの集団は正中視索前核（MnPO）の抑制性神経細胞（GABAニューロン）^[用語3]の活動を、塩分摂取に応答する集団は腹側分界条床核（vBNST）のGABAニューロンの活動を、それぞれ一過性に活性化していることが分かった。

本研究グループでは、これまでに脳弓下器官（SFO）において体液の状態に応じて水分および塩分欲求の制御をつかさどる神経細胞（水ニューロン^[用語4]および塩ニューロン^[用語5]）を同定し、体液状態に応じてこれらの神経細胞が制御される詳細な仕組みを報告していた^{[参考文献1、2]}。SFOの水ニューロンはSFO内のCckニューロンによって制御されること^{[参考文献3]}、また、水ニューロンはMnPOに、塩ニューロンはvBNSTに連絡していることを明らかにしていた^{[参考文献2]}。今回の研究成果と併せて、水分欲求および塩分欲求の制御をつかさどるシグナルは、それぞれMnPOおよびvBNSTで集約・統合されること、SFOとLPBNからのシグナルは協調的に水分欲求を抑制していることが分かった。本研究成果は、生物が体液状態を生理的レベルに保つための仕組み（体液恒常性の維持機構）を明らかにしたものであり、水中毒や多飲症、食塩感受性高血圧症などの過剰な水分摂取や塩分摂取により誘発される疾患の発症機序解明に貢献するものと期待される。

本研究成果は米国の科学誌「Cell Reports（セル リポーツ）」に12月28日付けでオンライン掲載された。

ヒトを含む脊椎動物において、水分や塩分の摂取を適切に制御することは生命維持にとって非常に重要である。過剰な水分摂取や塩分摂取はさまざまな疾患の原因となり、脳を含む多くの臓器に致命的な障害を発生させる。脳は、基本的に体液中の水分や塩分の過不足を感知して、水分欲求や塩分欲求を制御している。これに加えて、水分や塩分を摂取した際に、摂取の情報は舌や消化器官で感知され、吸収されて体液状態が変化する前に一時的に更なる摂取を抑制制御する仕組みを備えている。しかしながら、その詳細なメカニズムは明らかになっていなかった。

後脳にある外側腕傍核（LPBN）はさまざまな種類の遺伝子を発現している神経細胞で構成されており、末梢と中枢（脳）の情報伝達に関わる「中継地点」の役割を果たしている。すなわち、末梢から中枢への味覚や食欲、体温、痛覚、心肺機能、呼吸などに関わる情報伝達が、LPBNの神経細胞を介して行われている。これまでに、LPBNにおけるCckニューロンの一部は摂食制御や体温調節に関わることが知られていたが、水分摂取や塩分摂取の制御に関与しているか、また関与しているとしても、どのような仕組みで関与しているのかという点については分かっていなかった。

本研究では、まず遺伝子改変マウス（Cck -Creマウス）とアデノ随伴性ウイルスベクター^[用語6]を組み合わせてLPBNのCckニューロンを標識した。次に、さまざまな体液状態におけるCckニューロンの活動を神経細胞の活性化マーカーであるFosを指標にして解析した。Fosの発現の増加から、LPBNにおいて主に背側および外側に存在するCckニューロン（興奮性神経細胞の1つ）が水分摂取や塩分摂取に応じて活性化してくることが分かった。

次に、生きたマウスの脳内で、in vivoカルシウムイメージング^[用語7]によって水分摂取時や塩分摂取時におけるLPBNのCckニューロンの活動を経時的に観察した。その結果、LPBNのCckニューロンの中には、水分摂取のみに応答する集団（Group A）と塩分摂取のみに応答する集団（Group B）、さらに、いずれにも応答しない集団（Group C）が存在することを発見した（図1）。Group Aの活動は水分摂取開始から約25秒で最大になる一方で、Group Bの活動は塩分摂取開始から約5秒で最大になることが分かった。この時間差の生じる原因は、水分摂取のシグナルが消化管から伝達されるのに対し、塩分摂取のシグナルは舌の味覚として伝達されることに起因していると考えられる。実際に、舌の塩味の受容体である上皮性ナトリウムチャネル（ENaC）の機能を阻害剤で抑制したところ、塩分摂取時におけるGroup BのCckニューロンの活動が抑制された。

次に、Cckニューロンから脳内にどのような経路で水分・塩分摂取に関する情報が伝達されているのか明らかにするために、Cckニューロンを標識してその神経軸索が投射している領域を探索した。その結果、正中視索前核（MnPO）につながるCckニューロンの集団（LPBN^Cck→MnPOニューロン）および腹側分界条床核（vBNST）に連絡しているCckニューロンの集団（LPBN^Cck→vBNSTニューロン）がいずれもLPBNの背側領域にあることを見出した。オプトジェネティクス^[用語8]の技術を用いて、LPBN^Cck→MnPOニューロンを活性化したところ、水分摂取が選択的に抑制されることが分かった。同様にLPBN^Cck→vBNSTニューロンを活性化したところ、塩分摂取が選択的に抑制された（図2）。以前の研究成果^{[参考文献2]}と合わせて、脳弓下器官（SFO）の水分欲求を制御するシグナルとLPBNの水分欲求を抑制するシグナルは、どちらもMnPOに伝達されており、SFOの塩分欲求を制御するシグナルとLPBNの塩分欲求を抑制するシグナルは、いずれもvBNSTに伝達されていることが明らかになった。

さらに、オプトジェネティクスとin vivoカルシウムイメージングを組み合わせて用いることによって、LPBN^Cck→MnPOニューロンあるいはLPBN^Cck→vBNSTニューロンはいずれもGABAニューロンに連絡しており、それらのGABAニューロンの活性化は水分摂取あるいは塩分摂取に応答することを明らかにした（図3）。また、オプトジェネティクス技術を用いてMnPOおよびvBNSTのGABAニューロンを人為的に活性化したところ、水分摂取および塩分摂取が抑制され、その抑制効果は、LPBNのそれぞれのCckニューロンを活性化した時と同程度であったことから、LPBN^Cck→MnPOニューロンおよびLPBN^Cck→vBNSTニューロンはGABAニューロンの活性化を介して、水分摂取および塩分摂取を制御していると推定された（図3）。

最後に、化学遺伝学的手法^[用語9]を用いて、脱水状態においてSFOのCCKニューロンとLPBNのCckニューロンの活動を同時に抑制したところ、一方のCckニューロンだけを抑制した時よりも水分摂取量が有意に増加した。この結果は、SFOのCCKニューロンとLPBNのCckニューロンが水分摂取の抑制に協調的に機能していることを示している。

今回の水分摂取および塩分摂取行動を制御する脳内機構の解明は、神経科学や生理学分野における重要な発見というだけでなく、多飲症や食塩の過剰摂取、食塩感受性高血圧症など水分および塩分摂取の異常により誘発される疾患の発症機序の解明および治療・予防法の確立にも貢献する知見であるといえる。

体液恒常性をつかさどる神経機構は生命維持において必須の機能であるが、いまだに多くの仕組みが未解明である。今後、MnPOやvBNSTに集積する水分摂取あるいは塩分摂取の誘導と抑制のシグナルが、どのような仕組みで統合されているのか明らかにする必要がある。