運動活動と交感神経性心血管反応を駆動する脳幹単シナプス興奮性経路

Nature Communications volume 13、記事番号: 5079 (2022) この記事を引用

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運動を含む運動には、収縮する筋肉の代謝要求を満たすために適切な自律心血管調整が必要ですが、これらの調整の基礎となる機能的な脳の構造は依然として不明です。 今回我々は、運動活動と交感神経性心血管反応を促進するために、意志運動信号、つまり中枢指令を中継する上で重要な役割を果たす脳幹回路を実証する。 ラットの中脳運動ニューロンは、少なくとも部分的にグルタミン酸作動性プロセスを介して中枢指令駆動の興奮性シグナルを吻側延髄腹側外側に伝達し、体性運動神経系と交感神経系の両方を活性化します。 この単シナプス経路の光遺伝学的興奮は、ランニング運動中に見られるような運動反応および心血管反応を誘発しますが、経路阻害は、基礎心血管恒常性に影響を与えることなく、随意ランニング中の運動活動と血圧上昇を抑制します。 これらの結果は、中枢指令信号を伝達する重要な皮質下経路を実証し、運動パフォーマンスを最大化するために不可欠な生理学的コンディショニングに必要な中枢回路機構についての重要な洞察を提供する。

人間を含む脊椎動物の基本的な行動の一部である移動を含む運動には、骨格筋の収縮によって要求される燃料や酸素などの代謝リソースを提供する自律的な心血管調整が伴い、それによって身体パフォーマンスが向上します。 前脳からのフィードフォワード下行運動信号が心血管制御に寄与していることは、1 世紀以上にわたって示唆されてきました 1,2。 現在、このフィードフォワード信号は中枢指令と呼ばれ、脳内の体性運動系と自律運動系を並行して活性化し、動脈圧と心臓の収縮性とともに筋活動を同時に増加させると考えられています3。 この概念は、一定の筋張力での自発的な等尺性運動中の心血管反応の大きさが、主動筋または拮抗筋のいずれかの腱の振動による反射性収縮によって変化する中枢指令活性化の量と正の相関があることを示す人体研究から初めて生まれました4。 中枢指令は、運動フィードバックとは無関係に交感神経系の活性化と結びついている。これは、皮質麻痺の猫における架空の移動中の心血管変数の増加や、麻痺後のヒト被験者の随意筋収縮に対する心臓血管反応の誇張によって示されている6、7。

運動中に中央指令信号が自律心血管調整を引き起こす中枢回路機構がまだ完全に解明されていないため、中枢指令源の正確な位置は不明のままである。 自発的な運動に反応して活性化される自律神経の脳領域 8、9、10、11、12、または刺激によって自律神経反応または体性運動反応が誘発される領域 13、14、15、16、17、18 は、循環の中枢指令制御に関与している可能性があります。 例えば、神経外科技術を用いた人体研究では、視床下核（STN）や中脳水道周囲灰白質（PAG）を含む中脳回路は、自発的な運動中に神経活動が亢進し11、脳の昇圧作用によって証明されるように、中枢指令信号を中継する皮質下回路を構成していることが示唆されている19。パーキンソン病または慢性疼痛を患い、覚醒している患者における STN17 または背側/側方 PAG18 の電気刺激。 それにもかかわらず、運動中の自律神経の変化におけるこれらの脳領域の因果関係や、他の領域との機能的つながりは実証されていません。 中枢指令を司る脳基質も臨床的に重要性を増しています。 心不全などの病的状態での運動中の心血管調節の異常は、運動不耐症や不整脈などの致命的な心臓イベントのリスクを高めます20。 これは少なくとも部分的には中枢指令の機能不全によって引き起こされます 21,22 が、患者に対する治療的運動プログラムは機能状態と転帰を改善します 23。