ストレスが神経細胞構造に及ぼす影響 海馬、扁桃体、前頭前皮質

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ストレス・マネジメント脳機能慢性疲労・ME/CFS海馬

Stress Effects on Neuronal Structure: Hippocampus, Amygdala, and Prefrontal Cortex

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4677120/

要旨

海馬は、ストレスや脳の構造的・機能的可塑性について私たちが学んだことの多くへの入り口となった。副腎ステロイド、そして後に海馬形成におけるエストロゲン受容体の発見に始まり、その後の歯状回における樹状突起と棘突起のシナプスリモデリングと神経新生の発見により、脳内循環ステロイドホルモンのゲノム的作用と急速な非ゲノム的作用の両方が機械論的研究によって明らかになった。

これらの作用の多くはエピジェネティックに起こり、遺伝子発現のパターンは常に変化しており、その中にはさらなる研究が必要な重要な性差が存在している。さらに、グルココルチコイドとエストロゲンの作用は、反応の質的性質を決定するのに役立つ多くの細胞メディエーターと相乗的に起こる。

海馬はまた、早世の経験がもたらす永続的なエピジェネティック効果を理解するためのゲートウェイとなっている。動物モデルにおけるこれらの知見は、ヒトの脳への翻訳をもたらし、精神疾患や加齢に伴う脳の機能不全の性質や、早世の逆境が脳や身体に及ぼす影響のメカニズムについての考え方を変えるのに役立っている。

はじめに

神経内分泌学の分野は、ハリス(1970)による視床下部と下垂体の間のコミュニケーションの基本的な発見から始まり、これが神経内分泌系を介した脳と身体のコミュニケーションを理解するための基礎を確立した。視床下部と下垂体が注目されるようになり、視床下部における下垂体ホルモンの放出因子の発見(Guillemin, 1978; Schally et al, 1973; Vale et al, 1981)や、ホルモン分泌を調節する目的で視床下部と下垂体にホルモンがフィードバックされることの発見につながった(Meites, 1992)。同じ時期に、ステロイドホルモンは肝臓などの組織、性ホルモンの場合は前立腺や子宮などの遺伝子発現を調節する細胞内受容体に結合することが示され(Jensen and Jacobson, 1962細胞分画(Toft and Gorski, 1966)やステロイドオートラジオグラフィー(Pfaff and Keiner, 1973; Stumpf, 1971)を用いてこれらの受容体を検出するためのプローブとしてトリチウム標識ステロイドホルモンが使用された。

McEwenの研究室は、ステロイドオートラジオグラフィー、細胞分画法、電子顕微鏡および光顕微鏡レベルでの免疫細胞化学的方法の両方を用いて、副腎ステロイド、後にエストロゲン受容体を偶然発見し、トリチウム標識ステロイドを用いてこの分野に参入した(Gerlach and McEwen, 1972)。Loy et al, 1988; McEwen and Plapinger, 1970; McEwen et al, 1968; Milner et al, 2001; Zigmond and McEwen, 1970) 我々や他の研究者は、これらの知見を霊長類の幼児脳だけでなく、認知や感情の調節に関与する脳の他の領域にも拡大した(Gerlach et al, 1976)。これらの知見は、視床下部の機能を調節するだけでなく、脳全体の神経学的、認知的、情動的機能に影響を与え、老化、気分障害、社会環境の影響に関連してヒトの脳にも影響を与える、脳へのホルモンフィードバックの作用を研究するための触媒となった。

海馬は、ストレスと脳の可塑性について学んだことの多くへの入り口であり、海馬への最初の焦点は、扁桃体や前頭前野(PFC)などの他の相互接続された脳領域へと拡大していた。この記事では、これら3つの脳構造に関する我々の研究室や他の研究室での研究が、急性および慢性のストレス因子に反応してニューロンの構造的リモデリングを発見し、グルココルチコイドやエストロゲンがその効果をもたらすエピジェネティックなメカニズムと非ゲノムメカニズムの両方を明らかにし、これらの結果における性差を明らかにすることにつながったことを説明している。

ゲートウェイとしてのヒッポカンプス

グルココルチコイド(GR)とミネラルコルチコイド(MR)の受容体と機能
海馬に作用するストレスホルモン受容体の発見は、ストレスや副腎皮質ステロイド作用のメカニズムだけでなく、他の脳領域の研究への入り口となった。Reul and DeKloet(1985)の研究により、海馬や他の脳領域にはMR(タイプ1)とGR(タイプ2)という2種類の副腎皮質ステロイド受容体が存在することが明らかになった。このことは、受容体の免疫細胞化学的マッピングによってさらに詳しく説明された(Ahima et al, 1991; Ahima and Harlan, 1990)。

我々の研究室やDiamondら(1992)やJoelsら(2006)の研究では、長期増強と長期抑うつに対するMRとGRを介した二相性効果が示されている(Pavlides et al 1995)。興奮性に対する二相性効果は記憶に反映され、物体認識記憶ではコルチコステロンの二相性用量反応が見られるようになっている(Okuda et al, 2004)。これらの効果は、新しい環境での行動覚醒状態に依存しており、アドレナリンの相乗的な役割と海馬と扁桃体が共に働くことを示唆している(Roozendaal et al 1996)。GRは、二量体化欠損GRマウスで示されるように、ゲノムメカニズムを介して海馬依存性の空間記憶に関与しており、GRはグルココルチコイド応答要素に結合するために二量体化することができない(Oitzl et al 1997)。GRはまた、Ru486がそれをブロックすることができるという知見に基づいて、海馬および扁桃体によって媒介される文脈的恐怖記憶にも関与している(Pugh et al, 1997)。

グルココルチコイドの超日変動はGRの活性化と再活性化を促進するが、核内活性化のためのMRの占有率はより一定であり、興奮性を促進する(Stavreva et al, 2009)ことから、これは後述するように、副腎ステロイドのゲノムおよび非ゲノム活性に意味を持つ。

神経構造のリモデリング

海馬CA3と歯状回ニューロンの樹状突起の慢性的なストレス誘発性収縮の海馬での我々の発見だけでなく、CA1ニューロンの棘の損失(参照(McEwen、1999))は、脳の構造可塑性の側面を明らかにした(図1)。数十年にわたって強く示唆され(Altman and Das, 1965ほとんど無視されてきた(Kaplan, 2001海馬形成の歯状回の発達と同様に成体での神経新生の再発見(Cameron and Gould, 1994; Gould et al, 1992)は、成体脳がストレス後だけでなく、他の条件でもニューロン構造のリモデリングを示すことができるという概念を確立するのに役立ちました。

図1

海馬の三シナプス組織は、内耳皮質からCA3と歯状回(DG)の両方に入力を示し、これらの2つの領域間のフィードフォワードとフィードバック接続を持つ。慢性的なストレスは、CA3ニューロンの先端樹状突起を可逆的な方法で分岐・短縮させ、巨大苔状繊維末端によるグルタミン酸放出が駆動力となる。また、慢性ストレスはDGの神経新生を阻害し、最終的にDGニューロン数とDG体積を減少させる可能性がある(本文参照)。


さらに、慢性ストレスの影響およびエストロゲンが棘シナプス形成を誘導する能力の両方について、ホルモンが単独で働くのではなく、他のメディエーター、特に興奮性アミノ酸(興奮性アミノ酸s)およびその受容体が関与していることが明らかになった(Cameron et al, 1998; Daniel and Dohanich, 2001; Gazzaley et al, 1996; Magarinos and McEwen, 1995; Woolley and McEwen, 1994)。例えば、海馬CA3ニューロンの先端樹状突起の慢性的なストレス誘発性収縮については、巨大苔状繊維末端(MFT)が重要な役割を果たしており、反復ストレスの影響のベルウェザーとなっている(Magarinos et al, 1997; 図2)。具体的には、対照ラットのMFTは完全にグルタミン酸を含む小胞で満たされているのに対し、慢性的な拘束ストレスの後、それらは小胞の枯渇となるが、残りの小胞は、ストレスを受けたMFTで増加したミトコンドリアと一緒に、これらの巨大なプレシナプス端末の複数のアクティブなシナプスゾーンで発見されている。これは、枯渇ではなく、増加した活性の新しい定常状態を示唆している(Magarinos et al 1997)。

 

図2

CA3のlucidum層にシナプスするDGニューロンの巨大な苔状繊維端末(MFT)は、MFTを貫通する棘状の脱出物にグルタミン酸放出の複数のアクティブなサイトを持っている。通常は完全にシナプス小胞でいっぱい、MFTは、残りの小胞がアクティブなシナプスゾーンの近くにあると、慢性拘束ストレス(CRS)の3週間後に小胞の枯渇を示している。右図に示すように、CRSによって小胞面積は減少するが、残った小胞の充填密度は増加し、ミトコンドリアが占める面積も増加している。このことは、慢性ストレスを受けたMFTが疲弊しているのではなく、慢性ストレス後に非常に活性化していることを示唆している(Magarinos et al, 1997)。興味深いことに、マイクロダイアリシスにより、拘束ストレスによる海馬のグルタミン酸放出は副腎摘出術により廃止され、副腎分泌物の関与を示唆している(Lowy et al, 1993)。*P<0.001,両側不対スチューデントのt検定。


CA3領域は、慢性ストレスに伴う樹状突起の再編成を示す海馬の唯一の領域ではない。ラットCA1ニューロンのアピカルデンドライトは、新生児の慢性的な寝床ストレスの後、成人期には短くなることが報告されており(Brunson et al 2005年ストレス要因の比較から海馬内の違いや他の脳領域との機能的接続性が明らかになっている(Maras et al 2014)。マルチモーダルストレスのパラダイム(同時、数時間の光、大音量の騒音、ぎくしゃく、拘束)と拘束や大音量の騒音のみを比較したところ、マルチモーダルストレス後の海馬依存性の物体認識記憶では重度の欠損が認められたが、拘束や大音量の騒音のみの場合には欠損は少なかった。これらの記憶の違いは、血漿コルチコステロンレベルやストレスに敏感な視床下部ニューロンのFos標識ニューロン数の違いでは説明できなかった。これらの異なる条件下での脊椎密度を測定したところ、海馬CA3のシナプスは拘束とマルチモーダルストレスの両方によって減少したが、マルチモーダルストレスのみでは背側CA1のシナプス数が著しく減少した。また、背側CA1ではシナプス数が減少したが、腹側CA1ではこれらのストレスの影響を受けなかった。神経細胞活動のマーカーとしてc-Fosを用いた場合、マルチモーダルストレスは拘束ストレスと比較して海馬の海馬中隔および視床との接続性を減少させ、扁桃体およびBSTとの接続性を拘束ストレスよりも増加させた(Maras et al, 2014)。

C57Bl6マウスでは、10日間の慢性固定化ストレス(CIS)により、CA3短軸錐体ニューロンの樹状突起の後退が誘導されたが、CA3長軸錐体ニューロンの樹状突起の後退は誘導されなかった。CA3ニューロンのNMDA受容体を特異的に欠損したマウスでは、慢性的なストレスによる樹状突起の後退はCA3およびCA1のいずれのニューロンにおいても明らかではなく、この変異マウスにおける樹状突起の後退の抑制は、慢性的なストレスによって誘発されるHPA軸の活性化および行動変容にはほとんど影響を与えなかった(Christian et al 2011)。冬眠動物の海馬では、冬眠の開始とともにCA3先端樹状突起の急速な収縮が見られるのに対し、冬眠終了後数時間以内に樹状突起の再生が起こることから、細胞骨格の解離に関与する因子として可溶性のタウのリン酸化が関与しているメカニズムを介して、細胞骨格が必要なときに迅速に脱重合・再重合できることが示唆されている(Arendt er al)。 Magarinos et al, 2006; 図3)。)

図3

CA3錐体ニューロンの先端樹状突起分岐密度に及ぼす深い冬眠と誘導覚醒の影響。(a)活動期および冬眠期のヨーロッパハムスターの代表的なCA3錐体ニューロンのカメラルシダ図。細胞体を中心とした同心円状のリングのオーバーレイをSholl解析に用いた。b)一方向ANOVAは、Tukeyポストホック検定に続いて、ソーマ(冬眠(HIB)対活動的および覚醒群、P<0.001)から100と180μmの間で実験群間の統計的差異を明らかにし、また、ソーマ(HIB対活動的および覚醒群(P<0.005)から 200と260μmの間で。参考文献Magarinosら(2006)より引用。


グルココルチコイドおよび興奮性アミノ酸受容体の他に、ストレス誘発性樹状突起リモデリングに関与するメディエーターのリストが増えている(表1)。これらには、脳由来神経栄養因子(BDNF)や分泌されるシグナル分子、プロテアーゼ組織プラスミノーゲンアクチベーター(tPA)などの栄養因子、別のシグナル分子、リポカリン2,コルチコトロフィン放出因子(CRFエンドカンナビノイドなどが含まれる。これらのシグナル伝達メディエーターに加えて、細胞表面分子も重要な役割を果たしている。海馬形成における神経細胞接着分子のポリシアリル化形態の発現はストレスによって増加し、Endo-neuraminidase-N (Endo-N)によるPSA除去はモッシー線維の脱筋膜化を引き起こし、そのCA3標的領域で異所的にシナプスを形成することが知られている。Endo-NによるPSAの酵素的除去は、CA3錐体ニューロンの樹状突起の拡大をもたらしたが、CA1ではその効果は小さかった。この拡大は、CISによるCA3樹状突起の短縮に勝り、無ストレス-Endo-NラットおよびCIS-Endo-Nラットの拡大した樹状突起は、無ストレス-対照ラットの樹状突起よりも長く、CIS-対照ラットの樹状突起よりもはるかに長くなった。Endo-Nによる樹状突起の拡張が興奮障害に対する脆弱性を高めるという仮説から予測されるように、カイニン酸を全身に注射したところ、Endo-Nを投与されたラットでは、ビヒクル処理ラットと比較して、海馬形成全体にわたって神経細胞の変性が顕著に増加した(フルオロジャードB組織化学による評価)。PSA除去はまた、CISによる体重減少を悪化させ、神経ペプチドYおよびNR2B mRNAレベルに対するCISの効果を廃止した(McCall et al 2013; 図4)。

図4

NCAM神経細胞接着分子からポリシアリル酸を除去すると、慢性固定化ストレス(CIS)によるCA3ニューロンの樹枝状枝を短縮する効果に拮抗した。上:(左)10日間CISに曝露されたビヒクルおよびendo-N処理ラットからの代表的なカメラルシダ痕跡。樹状突起の枝分かれは、エンドーN処理ラットの方が大きかった。右)エキサイトトキシン負荷により、endo-N処理した海馬では、生理食塩水コントロールと比較して、より大きなニューロン損失を引き起こす。下の図。(a)CISはCA3樹状突起の全長を短縮したが、PSAを除去するとこれらの指標は増加した。CISとendo-Nを併用した場合、樹状突起の全長はendo-N単独の場合よりも短くなったが、それでも対照値よりは大きかった。(b) 分岐点数に対する効果も同様のパターンを示した。(c) Sholl解析の結果、PSA除去のみでは、ソーマからの距離のすべての場所(約0~550μm)の枝が伸長するのに対し、CIS単独ではソーマ付近(約100~250μm)の枝が特異的に短縮されることが明らかになった。興味深いことに、PSAを除去すると、CISが誘導する樹状突起の萎縮に拮抗することがわかった。データは、平均(±SEM)N=9-10/グループとして示されている。参考文献McCallら(2013)から引用。

表1 リフォームに必要・許容される分子

  • BDNF:脳由来神経栄養因子
    • 可塑性または成長の促進剤
    • BDNFの過剰発現-慢性ストレスの影響を含む
    • BDNFのハプロ不全はストレスによる可塑性を防ぐ
  • tPA:組織プラスミノーゲンアクチベーター
    • 分泌されたシグナル分子とプロテアーゼ
    • 海馬と内側扁桃体のストレスによる背骨喪失に必要
    • CRFはtPA分泌を活性化する。
    • 扁桃体のCRFがtPA放出を制御する
  • CRF:コルチコトロフィン放出因子
    • 介在ニューロンによって海馬で分泌される
    • RhoAシグナルを介して細い棘をダウンレギュレーションする
  • リポカリン-2:分泌されたタンパク質;これまでに知られていない機能
    • 急性ストレスはリポカリン-2を誘導する
    • リポカリン-2がキノコの棘をダウンレギュレーションする
    • リポカリン-2 KOは神経細胞の興奮性と不安感を増加させる
  • エンドカンナビノイド
    • グルココルチコイドを介して誘導
    • 感情とHPAの習慣化を調節してシャットオフする
    • CB1受容体KOは不安と基底側扁桃体樹状突起長を増加させ、前頭前皮質樹状突起のストレス様後退を引き起こす。

上述の構造的リモデリングの多くは、主に活性化されたGRがDNA中のグルココルチコイド応答エレメントに結合することによって、DNA転写(ゲノム効果)の変化に起因する遺伝子発現の変化によって媒介される。しかし、ストレスによる可塑性は、以下に述べるように、非ゲノム的なメカニズムによっても媒介されることがある。

非ゲノム効果

電子顕微鏡レベルでの免疫細胞化学により、細胞表面近くのミトコンドリア、樹状突起、シナプス前末端およびシナプス後密度のグルココルチコイドおよびエストロゲン受容体のエピトープに対する特異的な免疫標識が明らかになった(Johnson et al, 2005; Liposits and Bohn, 1993; McEwen and Milner, 2007; Milner et al, 2001)。電子顕微鏡レベルでのステロイドオートラジオグラフィーの応用により、エストロゲン受容体と考えられる部位が放射性ヨウ素化エストラジオールと結合する能力を持っていることが明らかになった(Milner et al, 2008)。ステロイド受容体は、遺伝子発現を調節するエピジェネティックな作用とともに、非ゲノム的で迅速なシグナル伝達機構を介して働いているという証拠とともに(Kelly and Levin, 2001エストロゲン受容体の新しい見解が示された。これは、直接および間接的なゲノム刺激だけでなく、他の様々な迅速なシグナリングメカニズムを介してエストロゲンとグルココルチコイドの作用の新しいビューにつながった(Popoli et al 2012年; 図5を参照)。

図5

グルココルチコイドの基底放出は日周パターンで変化し、ストレス因子に曝露された後に放出が数倍に増加する。グルココルチコイドは、脳全体に発現しているグルココルチコイド受容体とミネラルコルチコイド受容体に異なる親和性で結合することができ、膜結合型と核内型の両方で存在しているようである。副腎皮質ステロイドは、急速な効果と遅発性の効果の両方を有することができる。効果は、非ゲノム機構(膜結合型受容体によって媒介される、図参照;Karst et al, 2005; Kelly and Levin, 2001間接的なゲノム機構(膜受容体およびセカンドメッセンジャーによって媒介されるおよびゲノム機構(核に移動して転写因子として作用する細胞質受容体によって媒介される;Yamamoto, 1985)に起因することができる。古典的なミネラルコルチコイドおよびグルココルチコイド受容体は、これらの作用の多くを媒介しているようであるが、Gタンパク質共役型受容体を含む他の膜関連受容体もまた、これらの作用の一部に関与している可能性がある(Orchinik et al, 1992; Tasker et al, 2006)。さらに、活性化されたグルココルチコイド受容体は、ミトコンドリアに転座し、そのカルシウム緩衝能を高めることができる(Du et al 2009)。グルココルチコイドは、ミネラルコルチコイド受容体が欠失した場合には存在せず、ミネラルコルチコイド受容体の膜関連型が関与している可能性のあるメカニズムを介して、海馬においてグルタミン酸放出を迅速に誘導する(Karst et al, 2005; Lowy et al, 1993)。グルココルチコイドが神経伝達(グルタミン酸作動性、GABA作動性、コリン作動性、ノルアドレナリン作動性、セロトニン作動性と同様に)に影響を与える間接的な方法は、エンドカンナビノイド系とのクロストークを介したものである(Katona and Freund, 2008)。エンドカンナビノイドは脳内のエンドカンナビノイド産生を急速に刺激し、エンドカンナビノイドはカンナビノイド受容体1(CB1)と一過性受容体電位カチオンチャネルサブファミリーVメンバー1(TRPV1)に結合し、神経伝達物質の放出を阻害する(Chavez et al, 2010; Hill and McEwen, 2010)。Gタンパク質共役型受容体はエンドカンナビノイド産生に関与しているが(Di et al, 2009古典的な細胞質性グルココルチコイド受容体の選択的アンタゴニストであるRu486が、前頭前野におけるグルココルチコイドの迅速な作用を阻害するメカニズムの証拠もある(Hill and McEwen, 2010)。参照Popoli et al 2012年の許可を得てから転載。


ステロイド受容体の非ゲノム機能の強力な例として、MRのノックアウトにより、コルチコステロンが興奮性アミノ酸放出を迅速に刺激する能力が廃止されたという知見があり、ゲノムおよび迅速な非ゲノムシグナル伝達におけるMRの二重の役割を示唆している(Karst et al, 2005)。この発見は海馬の研究から始まり、急性拘束ストレス(ARS)によって誘発された海馬の細胞外グルタミン酸の増加の副腎依存性を説明するのに役立ちました(Lowy et al, 1993)。

気分障害と加齢性記憶喪失における海馬の関与

海馬は長い間、学習と記憶に関与してきたが、気分の調節にも重要な役割を果たしている。先に述べた構造的なリモデリングに加えて、歯状回は成人の神経新生を示す領域であり、これは副腎皮質のステロイドレベルによって制御される(Cameron and Gould, 1994; Gould et al, 1992)。その後の所見では、抗うつ薬が神経新生を増加させることが示されており、これが気分障害に関与する脳構造として海馬をもたらす新たな作用機序となっている(Duman et al 2001)。実際、歯状回は慢性的なストレス下では細胞数が減少し(Pham et al, 2003)コルチコステロンレベルに反応して(Sousa et al, 1999)身体活動や豊かな環境下では歯状回の体積とニューロン数が増加する(Kempermann et al, 1997; van Praag et al, 1999)。海馬の神経新生はまた、慢性ストレスに応答して非常に動的なBDNFレベルとリンクしており、初期には減少が観察されている(Smith et al, 1995)が、ストレス後の回復でベースラインに戻ることができる(Lakshminarasimhan and Chattarji, 2012)。また、BDNFの直接注入は海馬の神経新生を増加させることが示されている(Scharfman et al, 2005)。

その後の研究では、腹側海馬がこれらの効果の主要な標的であることが確認されている(Jayatissa et al 2006; Sahay and Hen、2007)。しかし、歯状回と神経新生が抑うつ行動と抗うつ薬による治療の唯一の説明ではない。なぜなら、神経新生の可能性が抑制されたときに起こる行動のエンドポイントがあるからである(David et al, 2009)。このことは、うつ病患者の脳に関するヒトの剖検データと一致する。海馬ではニューロンの喪失は認められないが、海馬錐体ニューロンの細胞核サイズの減少とグリア細胞数の減少を示している。

海馬は加齢によって影響を受ける。ラットでは加齢に伴って記憶障害が見られ、グルココルチコイドレベルの上昇、興奮性アミノ酸sと記憶障害との間には関連がある(Landfield et al, 1978; Sapolsky et al, 1986)。興奮性アミノ酸の作用に影響を与える薬物による薬理学的治療は、海馬依存性の空間記憶を指標として、記憶喪失を遅らせることがいくつかの症例で示されている。ある研究では、脳内の高速興奮性神経伝達を選択的に増強し、ニューロン全体の興奮性を増加させ、いくつかの神経保護活性を発揮するAMPA受容体の陽性アロステリックモジュレーター(Ampakine)の有益な効果が見出された(Bloss et al, 2008)。老化ラットにアンパカインS18986(Servier、フランス)を生後14ヶ月から18ヶ月まで経口投与したところ、運動量が増加し、海馬が関与する空間記憶課題でのパフォーマンスが改善された。さらに、S18986を慢性的に投与すると、前脳のコリン作動性ニューロンと中脳のドーパミン作動性ニューロンの減少が40%程度抑制され、海馬における神経炎症を示すミクログリアマーカーの発現の加齢に伴う増加が抑制された(Bloss et al, 2008)。

興奮性アミノ酸作用の調節を含む別の研究(Pereira et al, 2014)では、リルゾールが使用されたが、これはグリアトランスポーターを介したグルタミン酸の取り込みを増加させ、シナプスのグルタミン酸活性を増加させながらシナプス外NMDA受容体へのグルタミン酸のスピルオーバーを減少させると考えられているためである。10ヶ月から14ヶ月の間に投与された加齢ラットは、非投与の加齢ラットに見られる加齢に伴う認知機能の低下から保護された。海馬の空間記憶とエピソード記憶を含む課題での記憶能力はCA1領域の先端樹状突起上の細い棘の密度と相関していたが、マッシュルームの棘とは相関していなかった。さらに、リルゾールを投与したラットでは、記憶能力と相関する細い棘のクラスタリングが増加し、CA1の基底性樹状突起ではなく先端樹状突起に特異的であった。シナプス入力のクラスタリングは、シナプス強度の非線形和算を可能にすると考えられている(Pereira et al 2014)。

海馬のGRと早期生活経験の影響

海馬に関する研究のもう一つの「ゲートウェイ」機能は、初期の人生経験の神経的影響に注目することであった。Meaneyらは、「新生児の取り扱い」が情緒性に及ぼす影響(Levine et al 1967)は、子犬がダムから短期間離れた後に巣に戻された後の母体のケアによるものであることを示した(Francis、1999年;Meaney et al 1988)。貧しい母親のケアを受けたラットは、海馬のGRの赤字を示した(Liu et al 1997)と、少なくとも一部では、それらの赤字から生じるかもしれないHPAストレス応答の障害シャットオフ(Caldji et al 2000)。甲状腺ホルモンとセロトニンは、適切な海馬GRレベルの維持に関与していることが示されたが(Meaney et al 2000)GRのプロモーター領域におけるCpG DNA要素のメチル化は、GRの発現を減少させることが判明し、実際に、貧弱な母体ケアを受けた仔では増加することが判明した(Meaney and Szyf、2005)。貧しい母体ケアを受けたラットでの貧しいHPAのシャットオフは、成体動物における成体GRのCpG要素のメチル化を誘導することにより、乳児として良好な母体ケアを受けていた成体ラットで復活させることができた(Weaver et al 2005)。これらの独創的な知見は、今では子供として虐待を受けた個体におけるGRプロモーターCpGメチル化の増加を示すもの(McGowan et al 2009)のようなトランスレーショナルな研究を含む「エピジェネティクス」と呼ばれる成長分野の研究の巨大な分野を触媒している。

グルココルチコイドとHPA反応性はまた、母親のケアの質とそのケアに子孫の応答の指標となる。母性ケアの重要性に基づいて構築し、唐ら(2014)は、より良い社会的および認知的発展につながる、新規性への暴露と一緒に、母性ケアの一貫性ではなく、絶対量が重要な要因である “母性変調 “の概念を開発した;良い母親のケアの有効性の一つの尺度は、低基底コルチゾール(コルチコステロン)とストレッサーに応答して堅牢な増加コルチゾール(コルチコステロン)分泌を参照して、母親のストレス自己調節である。

エピジェネティクス、ストレス、および気分に関連した行動。迅速に行動する治療法の検索

「エピジェネティクス」とは、初期の段階では明らかではなかった発生中の生物の特徴が出現すること(Waddington, 1942)と定義された後、現在では、DNA配列を変更することなく遺伝情報の発現を調節する「ゲノムの上」での事象を指すようになっている。上記のCpGメチル化の他にも、クロマチンの展開を抑制または活性化するヒストン修飾(Allfrey, 1970)やノンコーディングRNAの作用(Mehler, 2008)などのメカニズムがある。ここでも海馬が重要な情報を提供している。例えば、Reulらは、強制水泳誘発性の行動不動性反応は、NMDA/ERK/MSK 1/2経路のリクルートを介して、異なる歯状顆粒ニューロンにおけるヒストンH3のリン酸化とc-Fos誘導を必要とすることを示している(Chandramohan et al 2008)。

海馬で変化した別のヒストンマークは、歯状回で最も顕著に、ヒストンH3上のリジン9のトリメチル化のARSによる劇的な誘導であり、これは多くのレトロトランスポゾン要素の抑制と通常は抑制されたDNAによって生成されるコーディングおよびノンコーディングRNAの減少に関連している(Hunter et al, 2009)。この抑制はストレスの繰り返しによって失われ、それらのレトロトランスポゾン要素が慢性的なストレス条件下でゲノムの安定性を損なう可能性を示唆している(Hunter et al, 2015)。

現在の実用化は、迅速に作用する抗うつ薬の探索である。なぜなら、古典的な抗うつ薬は非常にゆっくりと作用し、すべてのうつ病患者に効果があるわけではないからである。大うつ病の慢性的な再発性、思春期以降の女性のうつ病発症率が著しく高いこと、一卵性双生児間の不一致率が高いこと、そして感受性の高い個人の気分関連行動を促進するストレスに対する個人の反応性には、エピジェネティックなプロセスが関与している可能性が高い。これらの研究の過程で、興奮性アミノ酸の機能と神経リモデリングやストレス関連行動とを結びつけるエピジェネティックなメカニズムについて、より多くのことが分かってきている。NMDA受容体遮断薬であるケタミンの速効性が明らかになったことで、新世代の速効性抗うつ薬の発見に向けたパラダイムシフトが起きている(Li et al, 2010)。

最近、我々の研究室や他のグループは、天然に存在する化合物であるアセチル-l-カルニチン(LAC)が、海馬におけるメタボトロピックグルタミン酸受容体であるmGlu2のエピジェネティックな調節を介して、遺伝的および環境的に誘導されたうつ病の動物モデルにおいて、迅速な抗うつ効果を示すことを発見した(Cuccurazzu et al, 2013; Nasca et al, 2013)。mGlu2は、シナプスからのグルタミン酸放出に対して抑制的なトーンを発揮することが知られており、この受容体に対する薬理学的調節薬は、不安およびうつ病などのストレス関連気分障害を治療するために臨床開発中である(Nicoletti er al 2015). 同じ動物モデルを用いて、三環系抗うつ薬クロミプラミンで14日間の治療が抗うつ反応を促進するために必要であり、治療を中止すると消失した。対照的に、LACの抗うつ効果は、2週間の休薬後も明らかであった(Nasca et al 2013)。LACの持続的な効果は、海馬におけるmGlu2転写の制御にヒストン修飾のレベルで反映されている可能性のある安定した分子適応の関与を示唆している。実際、LACはヒストンH3K27のアセチル化によってmGlu2受容体のレベルを増加させている(後述)。

これらの知見は、ヒストン脱アセチル化酵素阻害剤を腹腔内投与すると、海馬、扁桃体、足柄核などの脆弱な脳領域における遺伝子発現プロファイルが正常化され、ストレス後の迅速な抗うつ反応を促進することを示した先行研究を支持するものである(Covington et al, 2011; Tsankova et al, 2006)。mGlu2遺伝子の転写を調節するためにヒストンリモデリングに作用するLACのような薬剤の使用は、より安全なプロファイルと薬物依存の可能性が低いケタミンおよびヒストン脱アセチル化酵素阻害剤に代わる補完的な戦略を提供している(Nicoletti et al, 2015)。

この研究の過程で、我々は、近交配マウスおよびラット間の個体差を認識するようになった(CavigelliおよびMcClintock、2003;Freund et al 2013;Miller et al 2012)。ナイーブマウスを迅速にスクリーニングするための単純な明暗テストを用いて(Nasca et al, 2014我々は、マウスのサブセットが海馬のMRレベルの上昇を示し、このベースラインの違いにより、MRが高いマウスは、より多くの不安や抑うつ様行動を伴うmGlu2のより大きなストレス誘発性の減少を示すことを発見した。MRの活性化がどのようにこれを行うのかはまだ明らかになっていないが、それはアセチルトランスフェラーゼP300を用いてヒストンH3上のリジン27をアセチル化することが示されているLACとは逆のメカニズムを活性化する(Nasca et al, 2013)。同様に、より高いMRを発達させる動物の経験の性質もまた、まだ知られていないが、母体のケアや新生児の営巣環境でのストレスが関与している可能性がある(Francis et al, 1999)。エピジェネティック・アロスタシスモデルは、ストレスへの反応における個体差の発生源を指摘し、未知の初期のエピジェネティックな影響が、後のストレスの多い人生の出来事に対する行動や生理学的な反応の異なる軌道を個体ごとにプログラムしていることを示唆している。このモデルに沿って、これまでの研究では、幼少動物の海馬MRレベルの上昇と成人期の不安様行動との関連性も示されている(Brydges et al, 2014; Korte et al, 1995; 図6)。

 

図6

海馬におけるmGlu2の低下は、不安行動や抑うつ様行動のバイオマーカーであり、迅速に作用する抗うつ薬への反応である。(a) mGlu2受容体の発現は、それらのコントロール(フーリンダース耐性ライン、FRL)と比較して、うつ病のフーリンダース敏感ライン(FSL)ラットの海馬と前頭前野で減少している。これらの変化は、急速にその効果は、薬物の撤退後2週間のために耐えるアセチル-L-カルニチン(LACによって修正される。*P<0.05,両側不対スチューデントのt検定。(b)感受性の高い人の慢性的な予測不可能なストレス(CUS)は、LACによって迅速に修正される抑うつ的な行動をもたらす(Nasca et al 2013)。興味深いことに、感受性の高い人だけが海馬内のmGlu2タンパク質レベルの低下を示した。***P<0.001,分散の一方向分析に続いて、ポストホック分析のためのTukeyの検定を行った。(c) 明暗室を使用して最近導入されたスクリーニング方法は、不安のベースラインの違いとミネラルコルチコイド受容体(MR)のレベルで特徴づけられる高(HS)と低(LS)感受性の個体を識別することができるが、海馬のmGlu2ではない。ストレスを受けると、HSマウスはストレスに対処するLSマウスと比較して、海馬のmGlu2レベルが低下し、ベースラインの不安様行動の悪化を示す。これらの変化は、MRアンタゴニストであるスピロノラクトンの単回投与で抑制されたが、GRアンタゴニストであるRU486の投与では抑制されなかった。**P<0.01,分散の一方向分析に続いて、ポストホック分析のためのTukeyの検定を行った。(d) P300によって制御されるヒストンH3K27のアセチル化は、ストレスおよび抗うつ剤治療に応答してmGlu2制御の重要なメディエーターである。(e) mGlu2発現のMR主導のダウンレギュレーションは、ストレス応答性の個人差が人生の初期に未知のエピジェネティックな影響に由来する可能性を示唆するエピジェネティック・アロスタシスモデルにまとめられている(Nasca et al, 2014)。


遺伝子発現がもたらす変化し続ける脳の教訓

海馬は、グルココルチコイドとストレスが遺伝子発現に及ぼす影響を理解するための重要なゲートウェイとなっている。最近の技術の進歩により、ストレスに応答した遺伝子発現の変化をハイスループット解析することが可能になった(Rubin et al, 2014)。例えば、急性および慢性ストレス後の海馬全体のマイクロアレイ解析、ならびにマウスのストレスからの回復は、ストレス誘発神経可塑性を取り巻く多くの知見を明らかにしている(Gray er al)。 急性および慢性ストレスは遺伝子のコアセットを調節するが、それぞれの条件に特有の多数の発現変化があり、ストレスの持続時間と強度が反応性をどのように変化させるかを強調している。さらに、コルチコステロンの注射では急性ストレスと同じ発現プロファイルは得られず、生体内試験のストレス因子はGR活性化とは無関係に多様な経路を活性化することができることを示唆している。最後に、慢性ストレスからの長期回復(21日)後の発現プロファイルの特徴付けは、不安に関連した行動の正常化にもかかわらず、回復はストレスを知らないベースラインへの復帰ではなく、むしろ新しいストレス因子への反応性がユニークな発現プロファイルを生み出す新たな状態を表していることを明らかにした(Gray et al, 2014)。ラットを用いた研究では、遺伝子発現プロファイルがストレス終了直後(1時間)からストレス終了後24時間まで大きく変化することも確認されており(Wang et al, 2010慢性ストレスは歯状回における急性コルチコステロン注射に対する転写反応を変化させることも確認されている(Datson et al, 2013)。これらの研究は、ストレス曝露の履歴が将来のストレス反応性と海馬機能に永続的な影響を与えうることを示している。DatsonとDeKloetによって慢性ストレス後に変化すると同定された遺伝子の多くは、既知のエピジェネティックな調節因子であり、ストレス曝露の終了後も発現応答の持続的な変化の根底にある1つの可能性のあるメカニズムを提供している。

新しい遺伝子候補の同定

遺伝子発現研究の利点の一つは、重要な機能に寄与する新しい遺伝子マーカーや経路の発見である。最近の例としては、海馬のCA3領域におけるストレス誘発性樹状突起リモデリングにおける細胞核孔複合体タンパク質NUP-62の予期せぬ役割が挙げられる(Kinoshita et al, 2014)。最初にうつ病患者のPFCでダウンレギュレーションされる遺伝子として同定された(栃木 et al 2008)が、げっ歯類のCA3ニューロンでは慢性ストレスに応答して減少することも発見された(Kinoshita et al 2014)。重要なことは、他の核孔複合体遺伝子のレベルは慢性ストレスで変化しなかったことであり、ストレスリモデリングにおける核孔複合体の役割が特異的であることを裏付けている。その後の試験管内試験研究では、NUP-62のダウンレギュレーションが樹状突起抑制と関連しており、この効果はPYK2部位でのNUP-62リン酸化によって分子レベルで調節されており、その結果、NUP-62が細胞質内に滞留することが確認された(Kinoshita et al, 2014)。

ハイスループット遺伝子発現データセットの経路解析により、ストレス応答に関与する既知の経路を新鮮に見ることができる。例えば、炎症は慢性ストレスと関連しており、全マウス海馬からの最近のマイクロアレイデータは、NF-κB/TNF-αおよびIL-6シグナリングが実際に最も影響を受ける経路の一部であることを確認するのに役立っている(Gray et al, 2014)。NF-κBシグナル伝達の転写因子であるp65のアセチル化もまた、LACの迅速な抗うつ効果と関連しており(Nasca et al 2013;Wang et al 2014これは、うつ病の病態生理学および治療における炎症反応の重要な役割を強調する成長しつつある文献を支持している(Dantzer et al 2008)。同様に、LACは非特異的なアセチル化剤であり、その迅速な抗うつ効果は、核外の他のタンパク質のアセチル化によって媒介される可能性がある(Russo and Charney, 2013)。このことから、細胞骨格遺伝子の調節は、急速な抗うつ効果を促進し、神経細胞の樹状突起リモデリングが起こるためにおそらく必要であると考えられる可能性を提起している(図7)。トランスクリプトーム全体の発現レベルを測定できるハイスループットデータセットにより、細胞表面の受容体から細胞骨格そのものに変化する遺伝子の可視化が可能になった(図7)。このデータからは、ROCK1/2などの予測可能な調節因子と、予測されていなかったかもしれない他のシグナル伝達中間体の両方の変化が明らかになった。

図7

急速な抗うつ作用のための潜在的な細胞メカニズム (a) アセチル-L-カルニチン(LAC)は、核内および核外に作用し、迅速な抗うつ応答を促進する可能性がある。核内では、LACはmGlu2プロモーター遺伝子に結合したNF-κBやヒストンH3K27のアセチル化を促進することでmGlu2の転写を増加させる。核外では、LACは神経細胞の細胞骨格の安定性を制御して樹状突起のリモデリングを制御している可能性がある(Nasca et al, 2013)。(b) アクチン細胞骨格の調節に関与する既知の細胞内シグナル伝達経路(WikiPathwaysより引用)を図示したもので、急性ストレス、慢性ストレス、またはストレスからの回復後に変化した遺伝子が強調表示されている(黄色)。


ヒト海馬への翻訳

海馬はまた、ストレスやストレス関連疾患が人間の脳に及ぼす影響を海馬から始めて解明し始めるために、動物モデルの知見を翻訳するための入り口にもなっている(McEwen, 2007; McEwen and Gianaros, 2011; McEwen and Morrison, 2013)。これらには、うつ病、PTSD、クッシング病、2型糖尿病における脳構造と機能活動の変化、時差ぼけやシフトワーク、慢性的な生活ストレス、知覚ストレス、身体活動の有益な効果などが含まれる(McEwen and Gianaros, 2011; Sheline, 2003)。シフトワークと同様にサーカディアンの乱れは、樹状突起の萎縮を引き起こし、認知の柔軟性を損なう一方で、肥満やインスリン抵抗性、レプチン抵抗性を促進する(Karatsoreos et al, 2011)。身体活動に関しては、以前は定住していた高齢者が1日1時間のウォーキングを6ヶ月から1年間行った場合、海馬形成の拡大が見られ(Erickson et al, 2011)、これは少なくとも部分的には、運動と豊かな環境によって刺激される歯状回の神経新生の増加によるものと考えられている(Kempermann et al, 1997; van Praag et al, 1999)。また、海馬の体積は激しい学習によって増加するが(Draganski et al, 2006クッシング病では減少する(Starkman et al, 1992)ことや、十分な回復時間のない慢性的な時差ぼけは、認知障害、コルチゾール分泌異常、側頭葉の縮小と関連していることも注目に値する(Cho, 2001)。老化との関連では、老化したヒトのコルチゾールレベルは5年間の記憶障害を予測し、コルチゾール上昇が著しく長期化した老化ヒトでは、正常なコルチゾール対照者と比較して海馬体積の減少と海馬依存性記憶課題での欠損が認められた。さらに、海馬の萎縮の程度は、経時的なコルチゾール上昇の程度と現在の基底コルチゾールレベルの両方と強く相関していた(Lupien et al, 1998)。

これらの情報を総合すると、海馬のすべての小領域から得られた情報は、図8に要約されている逆U字型の線量-時間応答の概念につながっている。急性ストレスは、グルココルチコイドと興奮性アミノ酸と他のメディエーターによって媒介され、中等度の生理学的レベルでは興奮性を増加させるが、より高いレベルの活動では逆の効果をもたらすことがある。慢性的なストレスは、樹状突起の後退とシナプス密度の低下が永久的な損傷からの保護機能を果たすのに対し、頭部外傷、発作、虚血などの突然の外傷的事象は海馬に適応する機会を与えず、永久的な損傷やニューロンの喪失につながるという、上述の大部分が可逆的な適応的可塑性を生み出する。しかし、ストレス因子が終わった後に回復力が不足すると、認知障害や不安や抑うつが持続し、外部からの介入が必要になることがある。これらすべてにおいて、経験の各段階では、ストレス因子によって生じた形態学的および神経化学的変化の見かけ上の回復があったとしても、脳は変化しているということを念頭に置く必要がある。

図8

慢性的なストレスは、海馬だけでなく扁桃体や内側前頭前野、眼窩前頭前野を含む多くの脳領域で樹状突起やシナプス結合のリモデリングを引き起こす(上図)。急性ストレスと慢性ストレスの影響は、空間的にも時間的にも逆U字型に作用する(下段)。急性ストレスは、グルココルチコイドや興奮性アミノ酸などのメディエーター(表1参照)を介して、ストレスが過度に強くない限り、数分から数時間にわたって興奮性を高め、記憶を促進するが、強いストレスはその逆の効果をもたらすことがある。慢性的なストレスは、上のパネルに示されているように、ほぼ可逆的な方法で神経細胞のリモデリングを引き起こし、適応を促進する(例えば、危険な環境での警戒心や不安感を高める)。しかし、ストレスによって誘発された神経細胞の構造変化を逆転させることができない場合には、その不均衡を是正するために、薬剤や行動療法による外部からの介入が必要になるかもしれない。最後に、発作、虚血、頭部外傷は、フリーラジカルとグルココルチコイドによって増強された炎症性緊張につながる興奮性アミノ酸の制御不能な活性化を引き起こす可能性がある。


アミグダラの構造的な改造

海馬は、ストレスやストレス関連障害に関与する別の重要な脳領域の研究への入り口となった。2002年の画期的な研究では、CIS(拘束よりも厳しいので10日対21日で効果がある)がラットのCA3領域で樹状突起の短縮を引き起こしたのに対し、基底側扁桃体(BLA)では樹状突起が拡大して反応したことが示された(Vyas et al, 2002)。同時に、内側扁桃体ではCISによって棘突起密度がダウンレギュレートされたが、これはtPAノックアウトマウスで示されたように、表1の調節因子の一つであるtPAに依存していた;BLAでの樹状突起の拡張はtPAの仲介に依存しなかった(Bennur er al)。 急性ストレス後の不安の増加もtPAに依存していることが示された(Pawlak et al, 2003)が、tPAの放出はCRF1受容体を介してCRFによって刺激されることがわかった(Matys et al, 2004)。興味深いことに、海馬CA1ニューロンの脊椎密度を低下させる慢性ストレスの能力もtPAに依存しており、tPA-KOマウスは、野生型マウスとは対照的に、空間記憶課題において慢性ストレスによる障害を受けなかった(Pawlak et al, 2005)。CRFは海馬の棘密度を調節することも知られているので、そこでのtPA放出を活性化していた可能性が高い(Regev and Baram, 2014)。GRの標的的欠失を用いた最近の研究では、tPA-BDNF-TrkBシグナリングが恐怖条件付けを変化させることが示された(Regest et al, 2014)

急性・慢性ストレスにおけるBDNFの逆説的役割

また、BDNFは海馬とBLAの樹状突起リモデリングにも重要な役割を果たしている。BDNFの過剰発現はCA3とBLAの樹状突起長を増加させ、慢性ストレスの影響でCA3の樹状突起長が減少し、BLAの樹状突起長が増加することが知られている(Govindarajan et al, 2006)。このような過剰発現がない場合、慢性ストレスは海馬のCA3におけるBDNFのダウンレギュレーションとBLAにおけるBDNFのアップレギュレーションを引き起こし、BLAにおける効果はストレス後21日目以降も持続し、CA3における効果は正常化している(Lakshminarasimhan and Chattarji, 2012)。さらに、10日遅れの急性ストレスは、BLAニューロンの棘の密度を増加させる(Mitra et al, 2005)が、BDNFの発現を10日間上昇させたのに対し、CA3の発現は急性ストレス後に低下したが、一過性のものであった(Lakshminarasimhan and Chattarji, 2012)。コルチコステロンレベルは急性ストレスと慢性ストレスの両方の後に上昇し、慢性ストレス後も上昇したままであったが、急性ストレス後には上昇しなかった。重要なことに、LakshmirnarasimhanとChattarji(2012)は、ストレス後のグルココルチコイドとグルタミン酸の上昇が、BDNFの発現と構造可塑性の対照的なパターンにつながることを指摘しており、異なる部位特異的な応答を制御するシグナル伝達の中間体が存在する可能性を示唆している。しかし、これを制御するメカニズム(おそらくエピジェネティックなものか、翻訳後のものか)はまだ特定されていない。

興味深いことに、海馬のグルタミン酸活性を修正するためのアセチル化H3K27に対するエピジェネティックな作用を超えて、LACはまた、抗うつ応答を促進するためにBDNFの脳および血清レベルを増加させ、ストレス関連気分障害の病因と治療におけるグルタミン酸系とBDNFシグナル伝達の間の中間的な鍵となるメディエーターの存在を支持している(Nasca et al 2013)。

外傷性ストレスの影響とグルココルチコイドの逆説的作用

ストレスとストレス因子への適応のメディエーターのもう一つの逆説的な効果は、扁桃体への急性ストレスと慢性ストレスの影響に関連したグルココルチコイドの作用を含んでいる。上述のように、急性および慢性ストレス後のコルチコステロンの上昇がBLAの樹状突起長の増加を伴うことと一致している(Lakshminarasimhan and Chattarji, 2012)が、コルチコステロンの単回の大きなボーラスは、10日間連続してCISを投与した場合のBLAの不安および樹状突起長を増加させる能力を模倣している(Mitra and Sapolsky, 2008)。さらに、単一の外傷性ストレス因子は、ナイーブラットに不安を生じさせ、BLAニューロン上の棘密度を増加させるが、BLA樹状突起長の増加はなく、上述のように10日間の遅延を伴う(Mitra et al 2005)。

しかし、外傷性ストレッサーの発生時に低用量から中用量のコルチコステロンを時限的に上昇させることで、10日後の不安の増加とBLA棘密度の増加を防ぐことができる(Rao et al, 2012)。コルチコステロンの同様の保護効果は、異なる急性外傷性ストレスのパラダイムについても報告されている(Zohar et al 2011)。現在調査中の可能性としては、エンドカンナビノイド産生のコルチコステロン刺激が関与している可能性がある(Hill et al, 2010a)。エンドカンナビノイドはHPA活性の基底および慢性ストレスレベルを調節する扁桃体において重要な役割を担っており(Hill and McEwen, 2009; Hill et al, 2010b)、エンドカンナビノイドは扁桃体の樹状突起構造を調節することが知られている(Hill et al, 2013)。

ヒト扁桃体への翻訳 気分障害とPTSD

外傷性ストレスのいくつかの動物モデルにおけるグルココルチコイドの時限的上昇の保護効果は、心臓血管外科手術を受けた患者に対する疫学的研究と臨床研究の両方で、外傷時の低グルココルチコイドレベルがPTSD症状の確率を高めることが示されている(Schelling et al, 2004; Yehuda et al, 1998)ため、ヒトでも対応するものがある。さらに、交通事故後1時間以内にグルココルチコイドを投与すると、その後のPTSD症状が軽減することが報告されている(Zohar et al, 2011)。

扁桃体の過剰活動も気分障害と関連しており(Drevets and Raichle, 1992慢性的に抑うつ状態にある母親の子供において扁桃体肥大が報告されている(Lupien et al, 2011)。治療的には、慢性的な不安障害を持つ人には、マインドフルネスに基づくストレスの軽減が有効であることが示されており、不安が軽減されると扁桃体の容積が減少することが報告されている(Holzel et al, 2010)。

ストレスはPFCの構造的な改造を誘発する

海馬での知見はまた、ストレスやストレス関連行動に関与する別の重要な脳領域、すなわち、作業記憶、実行機能、自己調節行動に重要なPFCへの入り口を提供しており、ストレス因子に反応して性差を示す(McEwen and Morrison, 2013)。

ストレスとグルココルチコイドはPFC機能に二相性の影響を与える

海馬の場合と同様に、グルココルチコイドはPFCにも二相性の効果があり、すなわち作業記憶と認識記憶に関連している。急性ストレスは、PFC錐体細胞のグルココルチコイド受容体を介してNMDARとAMPARを介したシナプス電流の増強を長期にわたって引き起こし、それに伴ってNMDARとAMPARのサブユニットの表面発現が増加した。急性ストレスは、GR依存性のメカニズムを介して作業記憶を亢進させた(Yuen et al, 2009)。さらに、急性ストレスまたはコルチコステロンの短期投与は、血清およびグルココルチコイド誘導性キナーゼの誘導および初期エンドソームと形質膜間の受容体リサイクルを媒介するRab4の活性化に依存するメカニズムを介して、PFC錐体ニューロンにおけるシナプス反応およびNMDAおよびAMPA受容体の表面発現の遅延的かつ持続的な増強を誘導した。生体内では、血清およびグルココルチコイド誘導性キナーゼのメカニズムが作業記憶の促進に関与している(Yuen et al, 2011a)。しかし、慢性ストレスは、AMPAおよびNMDA受容体依存性のシナプス伝達および細胞表面発現を有意に減少させた。この減少は、E3ユビキチンリガーゼNedd4-1とFbx2によって制御されるGluR1とNR1サブユニットのユビキチン/プロテアソーム依存性分解と関連しており、プロテアソームの阻害またはNedd4-1またはFbx2のノックダウンは、認識記憶とグルタミン酸機能に対する慢性ストレスの影響を防ぐことができた(Yuen et al 2012)。

慢性ストレスによるPFC神経構造のリモデリング

海馬と同様に、慢性ストレスは内側前頭前皮質ニューロンの可逆的な構造リモデリングを引き起こすが、若年動物では慢性ストレスの終了後に可逆的である(Cook and Wellman, 2004; Liston et al, 2006; Radley et al, 2004, 2005)が、中年動物では可逆的ではないが、高齢動物では可逆的ではない(Bloss et al, 2010)。しかしながら、可逆性の一つの側面として、収縮する樹状突起は細胞体の遠位にあるのに対し、ストレス終了後に再び成長する樹状突起はより近位にあることが挙げられる(Goldwater et al, 2009)ことから、これらのニューロンはストレス後に異なることが示唆されており、おそらく海馬について記述されているように、その接続性や遺伝子発現の面で最も重要であると考えられる(Gray et al, 2014)。興奮性アミノ酸は海馬と同様にPFCにおけるストレス誘発性リモデリングのメディエーターである(Martin and Wellman, 2011)。同様に、コルチコステロンの単独投与も、内側PFC(mPFC)ではCA3領域と同様に樹状突起リモデリングを引き起こす(Cerqueira et al, 2005; Watanabe et al, 1992; Wellman, 2001)。エンドカンナビノイドはまた、エンドカンナビノイドCB1受容体を欠損したマウスはmPFCの樹状突起が短く、野生型マウスと比較して慢性ストレスに対してより多くの樹状突起の収縮に反応するという知見によって示されるように、ストレス誘発性リモデリングを媒介することができる(Hill et al 2011a)。内側PFCのエンドカンナビノイドもまた、HPAストレス応答の終末化に役割を果たしている(Hill et al, 2011b)。

mPFCへのストレス効果とは対照的に、眼窩前頭前野皮質(OFC)では、同じ慢性的なストレスを受けると、mPFCと海馬では樹状突起が収縮し、BLAでは樹状突起が拡大する(Liston et al, 2006)。慢性ストレス後の認知柔軟性障害がmPFCの病変に似ているストレス下のmPFCとは異なり、若年動物では慢性ストレスの終了後に可逆的に変化する(Birrell and Brown, 2000; Liston et al, 2006)が、OFCにおけるニューロンリモデリングの機能的意義はあまり明らかではない。しかし、それは報酬や罰の重要性を決定する上でのOFCの役割の反映であり、したがって、可能な新しいストレス要因に対する警戒心を高めるために慢性的なストレスへの適応メカニズムの一部であると推測することができる(McEwen and Morrison, 2013)。

海馬と補完し、対照的なPFCのエピジェネティクス

一方、PFC では、ARS は mGlu2 受容体を減少させず、ヒストン H3K27ac にも変化は見られず、免疫細胞化学的に決定されたように、眼窩内側 PFC と前大脳皮質の I-II 層と III 層ではエピジェネティック・レギュレーターである P300 にも変化は見られないでした(図 9)。それにもかかわらず、PFCでは、ARSはシナプス後のmGlu5受容体の強いアップレギュレーションとNMDA受容体のサブユニットNR1の減少をもたらし、メタボトロピックなmGlu3受容体とグリアトランスポーターxCTとGlt-1の転写には有意な変化はなかった(図9)。グルタミン酸のイオン栄養作用を減少させるNR1サブユニットの発現のARS誘発性の減少と、グルタミン酸シグナル伝達全体を増強するシナプス後のmGlu5受容体の発現の増加は、神経伝達物質のオーバーフローの変化に対する適応的な恒常性応答を表している可能性がある。対照的に、ARS後、海馬はmGlu2の減少とともに過剰な興奮性アミノ酸トーンの証拠を示す(Nasca et al 2014)。海馬とPFCの異なる反応は、高次認知機能におけるそれぞれの役割を反映している可能性がある。海馬は空間的方位と日常的な出来事に関連する記憶をコード化するのに対し(McEwen, 1999)PFCは作業記憶と実行機能、および自己調節行動(McEwen and Morrison, 2013)に重要な役割を果たしており、これらはすべて急性および長期化したストレス因子によってある程度影響を受ける。

図9

ストレスに応答してPFCにおけるグルタミン酸遺伝子発現プロファイルに結合したエピジェネティクス。(a)三分割グルタミン酸シナプス。Popoliら(2012)の許可を得て改変した。(b) ストレスを受けていない年齢をマッチさせたマウスと急性拘束ストレスを受けたマウスにおけるPFC内のグルタミン酸遺伝子発現プロファイル。Glt-1:主要なグルタミン酸トランスポーターであり、神経細胞のシナプス間隙からニューログリアやニューロンにグルタミン酸を除去する;xCT:グリア細胞からシナプス周囲空間へのグルタミン酸交換を促進するシスチン-グルタミン酸交換体;mGluRs. 主にシナプス空間へのグルタミン酸の放出を阻害し、興奮性応答を生成するメタボトロピックグルタミン酸受容体;NR1,NMDA受容体の必須サブユニット:主にシナプス可塑性のメカニズムを調節するイオントロピックグルタミン酸受容体。棒グラフは平均+SEM、対応するコントロールとの有意な比較、**P<0.01(t検定)を表す。c)PFCのサブ領域(ORBmとPrL)におけるARSの効果の欠如を示すH3K27ac免疫反応性のROD分析。(dおよびe) P300陽性細胞の細胞数は、PFCのORBmまたはPrLサブ領域のいずれかの層のI-IIおよびIIIでARSの影響がないことを示している。画像クレジット:アレン脳科学研究所(e)。


ヒトPFCへの翻訳

ヒトのPFCは、ストレス因子や心理社会的環境の影響を受ける。重度の急性ストレス因子は、主にアドレナリン作動機構を介して認知機能を損なう(Arnsten, 2009)。しかし、グルココルチコイドは若年者では作業記憶を促進するが(Lupien et al, 2002)基底コルチゾールレベルと反応性が高い高齢者では作業記憶を損なう(Lupien et al, 1997)ことから、二相性の用量反応と老化効果の可能性が示唆される。知覚ストレスについては、カーネギーメロン大学のSheldon Cohen氏の10項目の知覚ストレス尺度で高得点を得た医学生は、PFCに関与する脳回路のfMRIによる機能的接続性の低下と、精神的柔軟性のテストでのパフォーマンスの低下を示した。このように、若年成人ヒトPFCは、上述のようなストレス期間終了後の可逆性を含め、若年成人ラットの脳におけるストレスの影響と類似した認知柔軟性の低下と機能的連結性の低下を示すことで、慢性ストレスの影響を反映していると考えられる。

長期的な心理社会的環境は、PFCと扁桃体活動を制御する能力にも影響を与える。社会的地位の低さは、PFC灰白質体積の減少と同様に、脳全体の全身性炎症性緊張の増加と白質構造の変化と関連しており(Gianaros et al 2007,2013前臨床アテローム性動脈硬化症は、悲しい顔や怒った顔などの刺激に対する扁桃体の反応性の増加とPFCからの抑制性入力の減少と関連している(Gianaros et al 2009)。

PFCと扁桃体の間の機能的接続性は、最初に肯定的な影響として発達し、次に抑制的な影響として発達する(Gee et al, 2013b)。典型的な条件の下では、扁桃体とmPFCの接続は、小児期に未熟であり、思春期には大人のようになり、齧歯類モデルは、母親の剥奪がこの開発を加速させることを示している。初期の母親の剥奪を経験した以前に制度化された若者は、彼らは良い母親の愛着を持つ子供の正の扁桃体-mPFCのカップリングを示すことができなかったという点で、非定型の扁桃体-mPFCの接続を示した。むしろ、早期の逆境の歴史を持つこれらの子供たちは、成熟した、負の扁桃体-mPFC結合を示し、したがって、思春期の表現型に似てた。コルチゾールは、剥奪ストレスの発達的役割を示唆するメディエーターとして関与している。年齢的に典型的であるにもかかわらず、負の扁桃体-mPFC結合は、以前に施設化されたグループでは不安は依然として強い母親の愛着の欠如のための唯一の部分的な補償を示す有意に高かったが、減少した不安のある程度を付与し、これは加速扁桃体-mPFCの開発は、初期の逆境に応答してオントジェネティックな適応であることを示唆している(Gee et al 2013a)。

PFCの可塑性と回復力は、この脳領域への血流を増加させ、実行機能を改善する定期的な中等度の有酸素運動によって増強される(Colcombe et al, 2004; Kramer et al, 1999)。認知行動療法は、慢性疲労の症状を軽減することができると、PFCの灰白質容積を増加させることが示されている(de Lange et al, 2008)。

性差

海馬はまた、卵巣ホルモンの神経・認知機能への作用を理解するためのゲートウェイでもある。棘突起、樹状突起、ミトコンドリア、シナプス前末端、アストロサイトにおけるエストロゲン受容体のゲノムおよび非ゲノム形態の発見は、他の脳領域におけるこのような非核エストロゲン受容体の局在の発見への道を開いた(McEwen and Milner, 2007)。この発見は、雌ラット海馬のCA1領域の脊椎シナプスにおける卵巣ホルモンのターンオーバーの発見とともに起こった。LIMK1および4E-BP1のリン酸化のPI3キナーゼを介したエストラジオール刺激に関与するシグナル伝達過程の同定は、それぞれアクチン重合および脳卒中後認知症95 mRNAの翻訳を導く(Akama and McEwen, 2003; Dumitriu et al, 2010; Yuen et al, 2011b)。これは性分化した応答であり、雄ラットはエストラジオールに応答してシナプス誘導を示さないが、テストステロンに応答してシナプス誘導を示す(Leranth et al, 2003)。

雌は慢性ストレスに対して異なる応答を示す

上記にまとめたストレス影響の動物モデル研究はすべて雄のげっ歯類を対象に行われたものであり、雌のげっ歯類では慢性ストレス後の神経リモデリングのパターンは雄と同じではない。この性差が最初に認識されたのは海馬で、雌ではストレスホルモンのすべての尺度が雌が雄と同じくらいストレスを経験していることを示していたにもかかわらず、CA3樹状突起のリモデリングはCRS後には発生しないでした(Galea et al, 1997)。雌と雄では、繰り返しのストレスの認知的影響も異なり、雄では海馬依存性記憶の障害を示すのに対し、雌ではそうではない(Bowman et al, 2001; Luine et al, 1994, 2007)。

対照的に、古典的なアイリンク条件付けの間の急性尾部衝撃ストレスは、発育期および成人期の性腺ホルモンの影響を受けるメカニズムによって、オスではパフォーマンスを向上させるが、メスではパフォーマンスを抑制する(Wood and Shors, 1998) (Shors and Miesegaes, 2002; Wood et al, 2001)。しかし、オスとメスのラットにショックのコントロールを与えると、ストレス効果と性差の両方が廃止される(Leuner et al 2004)。これらの結果は、性差がストレス刺激の解釈を媒介する脳システムに関与していることを示唆しており、ストレス刺激への対処にはコントロール感覚が重要であることを示している。

mPFCニューロンの慢性的なストレスに対する応答には性差があり、卵巣が無傷の雌ラットや卵巣摘出後にエストロゲン治療を受けた雌ラットでは樹状突起の拡大が見られたのに対し、雄では慢性的なストレス誘発性の退縮が見られた(Garrett and Wellman, 2009)。これをmPFCニューロンがどこに突出しているかという点でさらに詳しく説明すると、雌ラットでは、扁桃体に突出していないニューロンでは、CRS後に男性に見られるmPFCの樹状突起のリモデリングが見られないことが示された。慢性的なストレスを受けたオスでは扁桃体に突出するニューロンは変化しないが、エストロゲンを投与したメスでは、BLAに突出するニューロンのサブセットにおいて、慢性的なストレスによって樹状突起が拡大することが示された(Shansky et al, 2010)。さらに、卵巣摘出は、樹状突起の長さや分岐に対するこれらの慢性的なストレスの影響を抑制した。さらに、卵巣摘出した女性にエストラジオールを投与することで、mPFCニューロンの棘密度が増加した(Shansky et al 2010)。

辺縁前PFCと辺縁下PFCを含む恐怖条件付けと絶滅(Santini et al, 2008)を受けた雄と雌のラットの最近の行動研究では、絶滅の効果(貧弱な絶滅、HF、良好な絶滅、LF)の個人差に基づく性差が雄と雌の両方で明らかになった(Gruene et al, 2014)。凍結行動に全体的な性差はなかったが、HF/LFの表現型は雄では絶滅時に出現したが、雌では恐怖条件付け時に出現し、これには下肢下部-BLAニューロンが関与していない。また、HFとLFの雄では、HFとLFの雌では観察されなかった樹状突起の神経解剖学的な違い、すなわち前頭前皮質樹状突起の長さの違いが観察されたが、これは絶滅に先行するか、あるいは絶滅に起因するものである可能性がある。著者らは、女性の場合、条件付け時の女性のHF vs LFの違いの背景には、PFCと扁桃体の回路における性差(Shansky et al, 2010)があるのではないかと推測している。エストロゲンとアンドロゲンの作用は、ゲノムと非ゲノムの両方の受容体を介して中枢神経系に広く分布していることから(McEwen and Milner, 2007多くの脳領域や複数の機能に関連した性とストレスの相互作用の例や、ストレスに対する脳の応答に影響を与える発達的にプログラムされた性差の例はもっとたくさんあると考えられる(Bangasser et al, 2010, 2011)。

思春期以降のストレスに対する応答における性差の出現

げっ歯類では、テストステロンが性分化に及ぼす影響を受けやすい時期は周産期であるが、慢性的なストレス要因に対する性差は、思春期移行期を経て徐々に現れてくる。これを実証するために、幼若ラットを用いたげっ歯類モデルを用いて、産後 20 日目から 41 日目まで毎日、慢性的な拘束ストレスを与えた(Eiland et al, 2012)。慢性ストレスは抑うつ的な行動と、これらの行動変化に関与していると考えられる脳領域(海馬、PFC、扁桃体)の有意なニューロンリモデリングをもたらした。慢性ストレスを受けた雄雌ともに、無気力症を示し、新規性にさらされると運動量が増加し、急性ストレスにさらされると対処戦略が変化した。慢性ストレスは海馬と大脳皮質の樹状突起の収縮と扁桃体の樹状突起の肥大を同時に引き起こし、男性の方が女性よりも強い反応を示す傾向があった(Eiland et al, 2012)。

しかし、思春期前の雌ラットでは、1週間の繰り返し拘束ストレスにさらされた若い雌ラットでは、ストレスを受けた雄で観察された時間秩序認識記憶の障害とは対照的に、PFCによって制御される認知プロセスである時間秩序認識記憶に悪影響を及ぼさないという点で、すでに性差が認められている(Wei et al, 2014)。また、慢性的にストレスを受けた女性では、ストレスを受けた男性で観察された障害とは対照的に、PFC錐体ニューロンにおけるグルタミン酸伝達とグルタミン酸受容体表面の発現は正常であった。しかし、PFC エストロゲン受容体を阻害またはノックダウンすると、雌では慢性的なストレスによる障害が認められ、ストレスを受けた雄にエストラジオールを投与すると、エストラジオールの抑制効果は抑制されなかった。さらに、メスのアロマターゼをブロックすると、これらの若いメスにも慢性ストレスによる劇症的な効果があることが明らかになった。このように、思春期の発症前である生後4~5週間の時点ですでに、エストロゲンは慢性的にストレスを受けた女性と男性の両方に保護効果を持っている(Wei et al, 2014)。

人間の脳への翻訳

性差と性差の影響は革命を起こしており、脳の性差に対するX染色体とY染色体の寄与についての洞察を含めて、今後さらに多くのことが明らかになるだろう(Cahill 2006; McCarthy et al, 2012; McCullough et al, 2014; McEwen and Lasley, 2005)。男性と女性では、同じタスクに対する神経活性化パターンは、パフォーマンスが似ていても男女間でかなり異なる(Derntl et al 2010)。このことは、脳の構造の微妙な違いもあって、日常生活での問題へのアプローチや対処法が男女で異なることが多いという考え方につながっている。しかし、遺伝子発現やエピジェネティックな影響の観点から見ると、可塑性、損傷、回復力に関して動物モデルで学んだことの原理は、男性でも女性でも当てはまる可能性が高いと考えられる。

まとめと結論

海馬は、ストレスや脳の構造的・機能的可塑性について私たちが学んだことの多くを、成人期だけでなく、人生の早い時期にストレス因子の結果として解明するための入り口となっている。最初に海馬に焦点を当てた研究は、扁桃体、大脳皮質、足底核などの相互に関連した脳領域にまで拡大した。さらに、ステロイドホルモン受容体も迅速なシグナル伝達経路を媒介しており、ステロイドの直接的、間接的なゲノムおよび非ゲノム作用は、他の細胞内および細胞外媒介因子との非線形相互作用を伴うことが認識されるようになり、遺伝子制御効果への初期の焦点が拡大していた(表1)。その結果、エピジェネティックな影響により、遺伝子発現のパターンは常に変化しており、その中には、さらなる研究が必要な重要な性差が存在している。これらの知見を動物モデルからヒトの脳機能に翻訳することで、精神疾患や加齢に伴う脳の機能不全の本質や、早世の逆境が脳や身体に及ぼす影響のメカニズムについての考え方が変わってきている。

エピジェネティックな視点の成果の一つは、ストレスやストレス因子への適応の主機関である脳が自らを変化させるのを助ける介入の新たな可能性である。ライフコース発達の視点(Halfon et al, 2014)で示唆されているように、有害な経験の結果として起こる脳の変化は、真の「逆転」は不可能であるとしても、エピジェネティックに脳の構造や機能を変化させて、それらの初期の出来事を修正する介入に従順である可能性がある。脳の構造と機能を変化させることが示されているこれらの介入のいくつかを表2にまとめた。鍵となるのは、最近報告されたフルオキセチンの脳卒中からの回復力を高める能力(Chollet et al, 2011)のように、行動介入が効果的であるように可塑性を促進する薬剤(医薬品または身体活動のような行動薬)である。この新しいアプローチ(Castren and Rantamaki, 2010)の主な目標は、積極的な行動介入、例えば、うつ病の場合の行動療法や、脳卒中の影響を打ち消すための神経可塑性を促進するための集中的な理学療法などによって活用される可能性のある「可塑性の増加の窓」を開くことである。これは、初期の単眼剥奪による眼優位性の不均衡が、成人期にフルオキセチン(Vetencourt et al, 2008)によって促進されるパターン化された光への曝露によって逆転できることを示す動物モデルの研究と一致しているが、カロリー制限だけでなく、飲料水に含まれる毎日のグルココルチコイド(Spolidoro et al, 2011)によっても逆転できることを示している。これらのグルココルチコイドの作用は、グルココルチコイドの超音波パルス化が、他の機能の中でも特に運動学習に関与する大脳皮質全体のシナプスのサブセットのターンオーバーを促進することを示す研究に焦点を当てている(Liston et al, 2013; Liston and Gan, 2011)。新しい可塑性の窓を再び確立するための基礎的なメカニズムの研究は、興奮性と抑制性の伝達のバランスに焦点を当て、そのような可塑性に「ブレーキ」をかける分子を除去することに焦点を当てている(Bavelier et al 2010)。

表2 脳が自ら変化するのを助ける介入

定期的な身体活動

海馬の容積とPFCの血流が増加し、実行機能と記憶力が向上した(Erickson et al 2011)。

マインドフルネスに基づくストレス軽減

不安の軽減は、マインドフルネスに基づくストレス軽減療法に反応した人の扁桃体量を減少させる(Holzel et al 2010)。

社会的支援と統合

高齢者ボランティアを対象とした体験隊では、実行機能の改善、PFCの血流増加、衰えが緩やかになり、全身の健康状態が改善したことが示された。

意味と目的(eudaimonia)は、社会的支援や身体活動の増加とともに、構成要素として考えられる(Carlson et al, 2009)。


個人のニーズに合わせた行動療法が成功すると、慢性疲労の場合にはPFC(de Lange et al, 2008)慢性不安の場合には扁桃体の両方で容積変化をもたらすことができることを再確認することが重要である(表2;Holzel et al, 2010)。このことは、2つの重要なメッセージを補強している。

(i)可塑性を促進する治療は、積極的な行動療法や理学療法の介入の枠組みの中で行われるべきであるということ

(ii)ウィンドウの間の否定的な経験は問題を悪化させる可能性さえあるということ(Castren and Rantamaki, 2010)。

その無駄に、過剰なBDNFはまた、いくつかのインスタンスでは発作などの病態生理を促進する能力を持っていることに留意すべきである(Heinrich et al, 2011; Kokaia et al, 1995; Scharfman, 1997)。

今後の方向性

心身の健康障害の診断と治療に真の進歩をもたらすためには、初期の生活経験のエピジェネティックな埋め込みに関するライフコース発達の視点(Halfon et al, 2014)が、ライフコースを通しての健康と病気の起源についての考え方を再定義するのに役立つことが不可欠である。

感染症に対する抗生物質の発見は、ピルで病気が治るという考え方を促進した(「魔法の弾丸」)。これは感染症にも当てはまるかもしれないが、糖尿病や心臓病などの非伝染性疾患の認識は、食事や運動などの予防的な健康行動を導入した(Engel 1977)。

ライフコースの発達の観点からは、ライフコースを通して受け継がれる早世の経験の生物学的埋め込みの重要な概念だけでなく、エピジェネティクスを介して物理的・社会的な環境が継続的に脳と身体を変化させているという概念が追加されている。

このダイナミックな相互作用は、身体活動や特定の医薬品のような行動介入を介して、よりポジティブな軌道に向かってリダイレクトする可能性を開き、行動介入が効果的であるために可塑性の窓を開く。脳はストレス因子に適応する中心的な器官であり、脆弱な器官であるが、可塑性の窓を開く薬剤によっていくつかのケースでは助けられ、外部の行動介入からの変化の対象となっているので、これは不安や抑うつ性障害のためにより重要なことはどこにもない。

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