睡眠は通常、全か無かの状態と考えられている。つまり、脳は完全に覚醒しているか、完全に眠っているかのどちらかである。しかしMITの神経科学者らは、脳の小さな領域を眠らせたり覚醒度を下げたりする一方で、残りの脳は覚醒したままにできる回路を発見した。
この回路は、視床網様体核（TRN）と呼ばれる脳構造に由来する。TRNは信号を視床へ、そして大脳皮質へと中継し、深い睡眠を特徴づける、ゆっくりとした振動性の脳波の小さな領域を誘発する。徐波は昏睡や全身麻酔時にも生じ、覚醒度の低下と関連している。TRNの活動が十分に強まると、これらの波は脳全体を支配しうる。
研究者らは、TRNが異なる脳領域間で徐波を調整することにより、新しい記憶の定着を助けている可能性があると考えている。それにより、領域間で情報をより容易に共有できるようになるという。
「睡眠中は、特定の脳領域同士が情報をやり取りする必要があるため、同時に徐波を示すのかもしれません。一方で、そうでない領域もあります」と、MITの脳・認知科学部の研究協力者で、今回新たに発表された研究の筆頭著者の一人であるLaura Lewisは述べている。この研究は本日、学術誌 eLifeに掲載されています。
研究者によると、TRNは、睡眠不足の人が眠気に抗いながら一瞬「ぼんやり」する感覚を経験する際に脳内で起きていることにも関与している可能性がある。
論文のもう一人の筆頭著者は、MITの脳・認知科学専攻の大学院生であるJakob Voigtsである。上級著者は、MITのEdward Hood Taplin Professor of Medical Engineering and Computational Neuroscience（医療工学・計算神経科学）であり、マサチューセッツ総合病院の麻酔科医でもあるEmery Brown、そして、ニューヨーク大学助教授のMichael Halassaである。その他の著者は、MIT研究協力者のFrancisco Flores、そしてSherman Fairchild Professor in Neurobiology（神経生物学）であり、MITのPicower Institute for Learning and Memoryの一員であるMatthew Wilsonである。
局所的な制御
これまで、睡眠研究の多くは睡眠の全体的な制御に焦点を当ててきた。それは、脳全体が徐波（ニューロンの集団が短時間沈黙する際に生じる脳活動の振動）で満たされるときに起こる。
最近の研究では、睡眠不足の動物が覚醒している間でも、脳の一部で徐波を示しうることが示されており、脳は局所レベルでも覚醒を制御できることが示唆されている。
MITの研究チームが覚醒や眠気の局所的な制御についての研究を始めたのは、Lewisによれば、TRNはその物理的な位置から見て、睡眠において役割を果たすのに完全に適しているためである。TRNは視床を殻のように取り囲み、視床に入る感覚情報のゲートキーパーとして機能しうる。視床はその後、さらなる処理のために情報を大脳皮質へ送る。
研究者らは、光によってニューロンを刺激または抑制できる技術であるオプトジェネティクスを用いて、覚醒したマウスのTRNを弱く刺激すると、大脳皮質のごく一部に徐波が現れることを発見した。刺激を強めると、大脳皮質全体に徐波が見られた。
「私たちはさらに、大脳皮質全体にこうした徐波を誘発すると、動物が行動面でも眠気を催しているかのように振る舞い始めることを発見しました。動き回らなくなり、筋緊張も低下するのです」とLewisは述べている。
研究者らは、TRNが局所的な脳領域に対する脳の制御を微調整していると考えている。TRNは特定の領域の徐波を増強または抑制し、それらの領域同士が互いに通信できるようにしたり、脳が非常に眠い状態にあるときには一部の領域の覚醒度を下げたりするという。これは、人が睡眠不足の際に、実際には眠り込まずに一時的にぼんやりしてしまう現象を説明できるかもしれない。
「脳が睡眠へと移行し始めるため、無理に起きていようとしても一部の脳領域が眠気を帯びるのだと考えています」とLewisは述べている。
「この論文の強みは、皮質における徐波の生成に関わる視床－皮質回路の一部の役割を解明するために、オプトジェネティクスを初めて用いた点です」と、研究チームには加わっていないワシントン大学の麻酔・疼痛医学教授Mark Oppは述べている。
自然な睡眠と全身麻酔
脳がどのように覚醒を制御しているかを理解することは、自然な睡眠により近い状態を生み出す新しい睡眠薬や麻酔薬の設計に役立つ可能性がある。TRNを刺激すると、ノンレム睡眠に似た深い睡眠状態を誘発できる。また、ブラウンらによる先行研究では、レム睡眠を活性化する回路が明らかにされている。
ブラウンはさらに次のように付け加えている。「TRNには、抑制性神経伝達物質GABAを放出する、シナプス（脳内の神経接続）が豊富に存在する。多くの種類の麻酔薬がこれらのシナプスに作用し、その特徴の一つとして徐波を生じさせることを踏まえると、TRNがそれら多くの麻酔薬の作用部位であることはほぼ確実である。」
ルイスらによるこれまでの研究では、睡眠時の徐波とは異なり、全身麻酔下の徐波は協調していないことが示されている。これは、これらの薬剤が脳内の情報交換を阻害し、意識消失を引き起こす仕組みを示唆している。
本記事は、 MIT Newsとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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執筆者：Anne Traftonは、MIT Newsの寄稿ゲストライターです。
画像：休憩中に休息する参加者たち。REUTERS/Enrique Castro-Mendivil.
