水分摂取を抑制する脳内メカニズムを解明 口渇感を調節する新たな脳機能の発見

要点

• 脳内の脳弓下器官で水分摂取を抑制するコレシストキニン作動性神経細胞（CCKニューロン）を同定。
• 2種類のCCKニューロン集団が役割を分担して、水分摂取を促す水ニューロンの活動を抑制。
• 光遺伝学を用いて、それぞれのCCKニューロンの人為的活動制御を行い、マウスの飲水行動の制御に成功。

概要

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、脳内の脳弓下器官（SFO）^[用語1]においてコレシストキニン（CCK）^[用語2]を分泌する神経細胞（CCK作動性ニューロン^[用語3]；以下CCKニューロン）を同定し、このCCKニューロンが活性化することで飲水行動が抑制されることを初めて明らかにした。

また、CCKニューロンは、体液^[用語4]のナトリウムイオン（Na⁺）濃度の低下に応じて持続的に活性化する集団と、飲水行動に反応して一過性に活性化する集団の2種類が存在することを発見した。

本研究グループはこれまでにSFOにおいて飲水行動の誘導をつかさどる神経細胞（水ニューロン^[用語5]）および、その神経回路を明らかにしている^{[参考文献1]}。今回の研究成果は水ニューロンの活動が調節されるメカニズムを初めて解明したものであり、口渇感（こうかつかん）の異常に由来する水中毒や多飲症など、過剰な水分摂取により誘発される疾患の治療や予防法の確立に貢献するものと期待される。

本研究成果は英国の科学誌『Nature Communications（ネイチャー コミュニケーションズ）』に11月10日に公開された。

背景

ヒトを含む脊椎動物において、体液のナトリウムイオン（Na⁺）濃度は約145 mMに保持されており、体液恒常性と呼ばれている。体液恒常性は生命維持にとって必須であり、飲水行動を適切に制御することはそのために非常に重要である。口渇感の異常からくる水分摂取の過度な抑制は高ナトリウム血症^[用語6]を、また過剰な水分摂取は低ナトリウム血症^[用語6]や水中毒を引き起こし、脳を含む多くの臓器に致命的な障害を発生させる。最近、脳において飲水行動の誘発に関わる神経細胞の存在や神経回路が明らかになった。その一方で、飲水行動を抑制するメカニズムについては明らかになっていなかった。

脱水状態や塩欠乏状態（あるいは多量の失血状態）になると血中のアンジオテンシンⅡ（AngⅡ）^[用語7]濃度が増加し、水分摂取および塩分摂取行動を誘導することが知られている。本研究グループはこれまでに、SFOにある水ニューロンが飲水行動を、塩ニューロン^[用語8]が塩分摂取を誘導することを明らかにしている^{[参考文献1]}。

さらに、水分摂取が積極的に抑制される生理的条件下（体液のNa⁺濃度が低下した状態）においては、CCKに応答して活性化するSFO内の抑制性神経細胞（GABAニューロン）^[用語9]によって、水ニューロンの活動が抑制されていることを見いだしていた。しかしながら、CCKがどこで産生され、どういったメカニズムでSFOの水ニューロンの活動が制御されているのか、その詳細は未解明だった。

研究成果

まず、体液のNa⁺欠乏状態においてSFO内で増加するCCKがどこで産生されているのか検討するためにマウスにおいて、血中およびSFOにおけるCCK量の測定を行った。その結果、体液のNa⁺欠乏状態において、血中のCCK量は通常時と比べて変化していないにもかかわらず、SFO内のCCK量は9倍程度増加していた（図1）。また、SFO内でCCK遺伝子の発現(mRNA)が上昇することも分かった。

次に、CCKを分泌する細胞を可視化するために、CCKを発現する細胞内でCreリコンビナーゼ^[用語10]を発現する遺伝子改変マウス（CCK-Creマウス）のSFOにCre依存的に蛍光タンパク質mCherryを発現する高頻度逆行性ウイルスベクター（HiRet-DIO-mCherry）^[用語11]を注入した。このウイルスベクターは神経終末から感染し、細胞体でCre依存的なmCherryを発現させることから、SFOに投射しているCCKニューロンを網羅的に可視化することが可能となる。

その結果、SFO内においてmCherryを発現したニューロンを多く確認した（図2）。また、これらのニューロンは、体液のNa⁺欠乏状態において、神経活動の活性化を示すFosタンパク質^[用語12]を発現していた。一方、その他の神経核（外側腕傍核：LPBN^[用語13]）などでもmCherryを発現した神経細胞が認められたが、その数はごく少数であり、かつ、体液のNa⁺欠乏状態においてFosタンパク質を発現していないことが分かった。このように、SFO内においてmCherry を発現しているニューロンが水分摂取の抑制に関与するCCKニューロンであることが明らかになった。

a.

CCK-CreマウスのSFOにHiRet-DIO-mCherryを注入する実験の模式図。

b.

SFOにおけるCCKニューロン（赤色)。

c.

体液のNa+欠乏状態におけるCCKニューロン（赤色）と神経活性化マーカーFos（緑色）の発現。二色が重なっているところを矢頭で示している。

続いて、SFOのCCKニューロンがどのような生理的条件下で活動するのか知るために、CCK-Creマウスを用いてSFOのCCKニューロン特異的に、カルシウムセンサーであるGCaMP6f^[用語14]を発現させ、単細胞レベルで神経活動を測定した（図3）。様々な生理条件下において、複数のCCKニューロンの活動を比較した結果、多くのCCKニューロンの活動は体液のNa⁺欠乏状態において持続的に活性化していた。

このグループのCCKニューロン（グループ1）は、水分摂取によっては活動が低下することはないが（図3f）、塩分を摂取すると10～20分後にはその神経活動が抑制されていくことが分かった（図3、グループ1；図4、動画1）。さらに、水分摂取に応答して、ただちに一過性に活性化する別のCCKニューロンの集団（グループ2）があることが分かった（図3f、グループ2；動画2）。

a.

生体内カルシウムイメージングの模式図。

b.

SFOにおけるGCaMP6f発現細胞（緑色）とレンズ挿入部位。

c.

カルシウムイメージングで得られる観察像。

d.

体液のNa⁺欠乏状態および高張食塩水による水分摂取誘導の実験条件。

e.

それぞれの条件下における個々のSFOのCCKニューロンの神経活動

f.

神経活動の活性化のパターンに基づき（e）、SFOのCCKニューロンを統計学的に解析した結果Group1～3に分類される。グループ3が活性化される条件は不明。

さらに、光遺伝学^[用語15]を用いて、SFOのCCKニューロンの活動を人為的に活性化もしくは抑制した。その結果、CCKニューロンの活動を活性化すると、脱水状態において水分摂取量が減少した（図5a、b）。一方、体液のNa⁺欠乏状態においてCCKニューロンの活動を抑制すると、飲水行動が誘導されることが分かった（図5c、d）。これらの結果はCCKニューロンの活性化が飲水行動を抑制していることを示している。

a.

SFOのCCKニューロンの活動を人為的に活性化する実験手法および脱水状態における飲水行動の観察条件の模式図。

b.

光刺激による脱水状態における飲水行動の抑制。

c.

SFOのCCKニューロンの活動を人為的に抑制する実験手法および体液のNa⁺欠乏状態における飲水行動の観察条件の模式図。

d.

光刺激による体液のNa⁺欠乏状態における飲水行動の誘導。

本研究成果のまとめ

Na⁺欠乏状態および脱水状態のどちらにおいても、血中のAngⅡ濃度は増加する。AngⅡはSFOの水ニューロンを活性化し、水分摂取を促す方向に作用する（図6左）。しかしながら、体液のNa⁺濃度が低下している状態では、グループ1のCCKニューロンが活性化し、CCKを介してGABAニューロン（抑制性ニューロン）が活性化され、水ニューロンの活動は持続的に抑制されている（図6中央）。

一方、脱水状態では、水ニューロンは活性化状態にあり飲水行動が誘導されているが、水を飲むと咽頭や消化管からのフィードバックシグナルが、グループ2の別のCCKニューロン集団に伝達される。その結果、分泌されたCCKによって異なるGABAニューロンが活性化され、水ニューロンの活動は一過性に抑制される（図6右）。

今後の展開

今回の飲水行動を制御する脳内機構の解明は、神経科学における学術的価値だけでなく、口渇感の異常により誘発される疾患の治療や予防法の確立にも貢献するものと期待される。

論文情報

掲載誌 :	Nature Communications
論文タイトル :	Distinct CCK-positive SFO neurons are involved in persistent or transient suppression of water intake
著者 :	Takashi Matsuda, Takeshi Y Hiyama, Kenta Kobayashi, Kazuto Kobayashi, Masaharu Noda
DOI :	10.1038/s41467-020-19191-0

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