睡眠が脳にとって重要である事は言うまでもないことだが、実は脳は睡眠中に“活発な活動”を行う事が知られている。

睡眠中、脳細胞は電気パルスのバーストを発生させ、それがリズミカルな穏やかな波となって蓄積される。だが、なぜ脳は休息中も活発に活動しているのだろうか？

ワシントン大学医学部の研究者らは、ゆっくりとした脳波が睡眠中の脳の洗浄に重要な役割を果たしていることを発見した。神経細胞が同期してこの波を発生させ、その波が脳の複雑な組織を通して体液の流れを推進し、効果的に脳を洗浄するのである。

「神経細胞は小型ポンプなのです。同期した神経活動は、体液の流れと脳内のゴミの除去に力を与えます。このプロセスを構築することができれば、アルツハイマー病やパーキンソン病などの神経疾患を遅らせたり、予防したりできる可能性があるのです」と筆頭著者であるワシントン大学の病理学・免疫学部門のポスドク研究員であるLi-Feng Jiang-Xie氏は語った。

脳細胞は、思考、感情、運動、記憶、問題解決など、幅広い機能を担っている。これらのプロセスはエネルギーを大量に消費するため、代謝廃棄物の発生に繋がる。

「脳が、蓄積して神経変性疾患の原因となる代謝性老廃物を処理することは非常に重要です。睡眠は、脳が覚醒中に蓄積した老廃物や毒素を洗い流すための洗浄プロセスを開始する時間であることは知っていました。しかし、それがどのようにして起こるのかはわかっていませんでした。今回の発見は、有害な老廃物の除去を早め、それが悲惨な結果を招く前に除去するための戦略や潜在的な治療法を指し示すことができるかもしれません」と、同大学の病理学・免疫学教授である上級著者のJonathan Kipnis氏は語った。

専門家によれば、脳の緻密な構造を洗浄するのは複雑な作業だという。脳脊髄液は脳内を移動し、老廃物を回収してから体内のリンパ系を通って排出され、ろ過されなければならない。研究者たちは、神経細胞のリズミカルな波が、この液体を動かすのに不可欠であることを実証した。

今回、研究チームが眠っているマウスの脳を研究した結果、神経細胞が協調して電気信号を発し、脳内にリズミカルな波を発生させることによって、掃除の努力を促していることがわかった。このような波が体液の動きを促進するのだという。

研究チームは、脳の特定の部位を沈黙させ、その部位のニューロンが波を発生しないようにした。この波がないと、新鮮な脳脊髄液が沈黙させられた脳領域を流れることができず、閉じ込められた老廃物が脳組織から出て行くことができなかったのだという。

「睡眠をとる理由のひとつは、脳を浄化することです。この浄化プロセスを強化できれば、睡眠時間を減らしても健康を維持できるかもしれません。誰もが毎晩8時間の睡眠の恩恵を受けているわけではないし、睡眠不足は健康に影響を与える。」とKipnis氏は言う。

「他の研究では、遺伝的に睡眠時間が短くなるように仕向けられたマウスは脳が健康であることが示されている。脳内の老廃物をより効率的に掃除しているからでしょうか？脳の洗浄能力を高めることで、不眠症に悩む人々を助け、少ない睡眠時間でもやっていけるようにできないでしょうか？」。

脳波のパターンは睡眠サイクルを通じて変化する。特筆すべきは、振幅の大きい背の高い脳波の方が、より強い力で体液を動かしていることである。研究者たちは現在、なぜ睡眠中にニューロンがさまざまなリズムで脳波を発するのか、また脳のどの部位が老廃物の蓄積を最も受けやすいのかを解明することに興味を持っている。

「脳の洗浄プロセスは、皿洗いに似ていると考えています。例えば、皿に飛び散った可溶性の老廃物をきれいにするために、大きく、ゆっくりと、リズミカルに拭く動作から始めます。次に、皿の上の特に粘着性のある生ゴミを取り除くために、動作の範囲を狭め、速度を上げる。手の動きの振幅やリズムは様々だが、包括的な目的は一貫している。脳は、ゴミの種類や量に応じて洗浄方法を調整しているのかもしれません」と、Jiang-Xie氏は述べている。

論文

• Nature: Neuronal dynamics direct cerebrospinal fluid perfusion and brain clearance

参考文献

• Washington University School of Medicine in St. Louis: Neurons help flush waste out of brain during sleep

研究の要旨

代謝性老廃物の蓄積は、多くの神経疾患の主な原因であるが、脳がどのように自浄作用を発揮しているかについては、まだ限られた知識しかない。ここでは、神経回路網が個々の活動電位を同期させ、脳の間質液中に大振幅でリズミカルな自己永続的イオン波を作り出していることを示す。これらの波は、脳実質を流れるリンパ流1,2が相関的に増強されることを説明する、もっともらしいメカニズムである。これらの高エネルギーイオン波の化学遺伝学的平坦化は、脳実質への脳脊髄液の浸潤と脳実質からの分子のクリアランスを大きく阻害した。特に、経頭蓋光遺伝学的刺激によって生成された合成波は、脳脊髄液から間質液への灌流を実質的に増強した。われわれの研究は、神経細胞が脳内クリアランスのマスターオーガナイザーとして機能することを示している。この基本原理は、巨視的な脳波の機能に関する新しい理論的枠組みを導入するものである。