微弱な電気刺激が脳を活性化する仕組みを解明

要旨

理化学研究所（理研）脳科学総合研究センター神経グリア回路研究チームの毛内拡研究員、平瀬肇チームリーダーらの共同研究グループ^※は、経頭蓋（けいとうがい）直流電気刺激がマウス脳機能に及ぼす影響とその作用メカニズムを明らかにしました。

「経頭蓋直流電気刺激法（tDCS）^[1]」は、頭蓋骨の上から極めて微弱な直流電気を流して脳を刺激する方法で、ヒトではうつ症状の改善、運動機能障害のリハビリテーション、記憶力の向上などへの効果が知られています。しかし、その詳しい作用メカニズムは解明されていませんでした。これまでの動物実験の結果からは、tDCSがシナプス伝達^[2]を増強することが、電気生理学的手法^[3]を用いて断片的に報告されていました。

理研の神経グリア回路研究チームはこれまで、シナプス伝達の増強がグリア細胞の1種であるアストロサイト^[4]のカルシウム活動によって引き起こされること^注1）に注目してきました。アストロサイトは、神経細胞（ニューロン）とは異なり、電気的応答が微弱であるため、脳波記録などの電気生理学的手法ではその活動を捉えることは困難です。一方、アストロサイトは細胞内カルシウム濃度をダイナミックに変動させることが知られています。

そこで共同研究グループは、アストロサイトとニューロンの細胞内カルシウム動態をリアルタイムで観測できる遺伝子改変マウスを作製し、tDCS前後の大脳皮質のカルシウム動態を計測しました。その結果、tDCSによって大脳皮質におけるアストロサイトの細胞内カルシウム濃度が一過的に著しく上昇することを発見しました。さらに、tDCS後に視覚刺激などの感覚刺激に対するニューロンの応答が大きくなることから、シナプス伝達の増強が起こることを見出しました。一方、アストロサイトのカルシウム応答を抑制した遺伝子改変マウスでは、tDCSによる感覚刺激に対する応答は増強しませんでした。

次に薬理実験により、神経伝達物質の1種であるノルアドレナリンの受容体「α１アドレナリン受容体」が、tDCSによるアストロサイトのカルシウム応答に必須であることを見出しました。さらに、ノルアドレナリン作動性ニューロン^[5]を神経毒により損失させると、アストロサイトのカルシウム応答も感覚刺激に対する応答の増強も起こりませんでした。これらの結果から、「tDCSによりノルアドレナリンが放出され、アストロサイトのカルシウム上昇を介してシナプス伝達の増強を起こしやすくなる」ことが明らかになりました。

本研究の結果から、うつ病などの精神疾患に対してのアストロサイトを標的とした創薬や治療法の開発が期待できます。また、tDCSの効果や安全性については、神経細胞だけではなくグリア細胞の研究も含めて議論することが必要と考えられます。

本研究は、文部科学省新学術領域研究「グリアアセンブリによる脳機能発現の制御と病態」および日本医療研究開発機構「革新的技術による脳機能ネットワークの全容解明プロジェクト」（平成27年度の文部科学省より移管）の一環として行われました。

成果は、国際科学雑誌『Nature Communications』（3月22日付）に掲載されます。

注1） 2011年12月7日プレスリリース「記憶や学習の能力にグリア細胞が直接関与」

※共同研究グループ

理化学研究所 脳科学総合研究センター
神経グリア回路研究チーム
チームリーダー 平瀬 肇 （ひらせ はじめ）
研究員 毛内 拡 （もうない ひろむ）
研究員 田中 三佳 （たなか みか）
研究員 大江 佑樹 （おおえ ゆうき）
研究員 岩井 陽一 （いわい よういち）

発生神経生物研究チーム
チームリーダー 御子柴 克彦 （みこしば かつひこ）

行動遺伝学技術開発チーム
チームリーダー 糸原 重美 （いとはら しげよし）

埼玉大学 理工学研究科 脳末梢科学研究センター
教授 中井 淳一 （なかい じゅんいち）
准教授 大倉 正道 （おおくら まさみち）

群馬大学 医学系研究科 脳神経再生医学分野
教授 平井 宏和 （ひらい ひろかず）
助教 今野 歩 （こんの あゆむ）