「体温調節の神経回路」の版間の差分
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英語名：Neural circuitry for thermoregulation、Neural circuitry for body temperature regulation | |||
体温を維持・調節するために機能する、[[温度感覚]]情報の伝達と統合、ならびに体温調節[[効果器]]への指令を行う[[中枢]]および[[末梢]]の神経回路。ここでは[[哺乳類]]の体温調節の神経回路を扱う。 | |||
人間を含めた哺乳動物（恒温動物）では、体温を一定に保つために、体内から環境中への熱の放散を調節し、必要な時には体内で積極的に熱を産生する。また、[[感染]]が起こった時には[[発熱]]を起こし、体温を病原体の増殖至適温度域よりも高くすることで、その増殖を抑制する。こうした生体の反応は、脳内の体温調節中枢を司令塔とする[[中枢神経システム]]が、末梢の様々な効果器へ指令することによって惹起される。体温調節中枢は、[[視床下部]]の[[最吻側]]に位置する[[視索前野]]（preoptic area）と呼ばれる部位にあり、感染時の発熱を指令する発熱中枢でもある。 | |||
== 体温調節反応の種類 == | == 体温調節反応の種類 == | ||
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体温の調節に関わる生体の反応は、自律性体温調節反応と行動性体温調節反応に分類される。 | 体温の調節に関わる生体の反応は、自律性体温調節反応と行動性体温調節反応に分類される。 | ||
=== 自律性体温調節反応 | ==== 自律性体温調節反応 ==== | ||
自律性体温調節反応には、体内で熱の産生を行う反応と環境中への体熱の放散を調節する反応がある。 | |||
===== 熱産生反応 ===== | |||
体内の熱は、様々な化学反応や筋運動の副産物として産生されるが、それに加えて、体温調節を目的とした積極的な熱の産生が、主に[[褐色脂肪組織]]と[[骨格筋]]で行われる。褐色脂肪組織は[[交感神経系]]による強い支配を受け、代謝性（非ふるえ）熱産生が起こる。骨格筋では、[[体性運動神経]]を介したふるえ熱産生（シバリング）が起こる。 | |||
===== 熱放散反応 ===== | |||
体熱の放散の様式には、蒸散性熱放散と非蒸散性熱放散の２種類が存在する。蒸散性熱放散は、体表面の水分が蒸発する際に体熱を気化熱として奪うことを利用して熱の放散をうながす反応である。暑熱環境では、人や馬は汗腺より分泌した汗を蒸発させることで熱放散を促す。汗腺は交感神経の支配を受けるが、他の効果器とは異なり、神経末端からは[[アセチルコリン]]が放出される。ラットやマウスは唾液の分泌量を増やし、それを体表面に塗布する。犬はパンティング（あえぎ）を行うことで、口腔内や気道表面の水分の蒸発量を増加させる。 | |||
[[ | 非蒸散性熱放散は、水分の蒸発を伴わず、体表面から環境中への熱の[[伝導]]や[[放射]]による熱放散反応である。非蒸散性熱放散において重要な働きをする器官の一つとしては、[[皮膚]]の[[血管]]が挙げられる。皮膚血管は主に交感神経による調節を受け、[[神経終末]]から放出される[[ノルアドレナリン]]の作用によって血管の収縮が起こる。皮膚血管の収縮は皮膚血流の低下につながるので、体表面からの熱の放散が抑制される。一方、交感神経活動の低下は皮膚血管の[[平滑筋]]の弛緩につながり、血管径が拡張するので、皮膚血流の増加による体熱の放散促進につながる。また、人間の皮膚血管には、積極的に拡張させる神経も存在することが知られているが、放出する[[神経伝達物質]]など、その実体はよく分かっていない。寒冷環境では鳥肌が立つことがあるが、これも非蒸散性熱放散反応の一種である。猿や犬など、長い体毛を持つ動物では、[[立毛筋]]を収縮させ、毛を立てることで、体毛によって構成される皮膚の外側の空気の層の厚くし、体熱の放散を減少させる。人間の皮膚には体毛が少ないので、立毛させることによる効果はほとんどないが、進化上の名残として反応が残っているのである。 | ||
=== | ==== 行動性体温調節反応 ==== | ||
行動性体温調節は、体温の維持を目的とし、[[意志]]に基づいて意識的に行う行動である。例えば、体温の維持に適した温度環境に移動するという行動に加え、「寒いのでコートを羽織る」、「暑いので冷房のスイッチを入れる」などの行動も含まれる。こうした行動の基盤には、暑さ・寒さに起因する[[情動]]が関与すると考えられるが、その中枢神経回路に関する仕組みはほとんど分かっていない。 | |||
[[Image:Thermoregulation1.jpg|thumb|center|400px|自律性体温調節反応の種類。非蒸散性熱放散反応のみで体温を維持できる環境温度域を温熱的中性域という。]] | |||
== 自律性体温調節の指令を行う神経回路 == | == 自律性体温調節の指令を行う神経回路 == | ||
自律性体温調節反応のうち、褐色脂肪組織熱産生や皮膚血管収縮は[[脊髄]]の[[中間外側核]]（intermediolateral nucleus）からの交感神経出力によって惹起され、ふるえ熱産生は脊髄の[[前角]]（ventral horn）からの体性運動出力を介して惹起される。こうした脊髄からの出力は、[[延髄]]の[[淡蒼縫線核]]（raphe pallidus nucleus）を中心とした領域に分布する[[プレモーターニューロン]]によって制御される。このプレモーターニューロンのうち、褐色脂肪組織熱産生や皮膚血管収縮の指令を伝達する[[交感神経プレモーターニューロン]]は、[[小胞性グルタミン酸トランスポーター３]]（VGLUT3）を発現し、脊髄中間外側核において[[グルタミン酸]]を放出すると考えられている。この交感神経プレモーターニューロン群のうち、約２０％は[[セロトニン]]も含有する。また、[[GABA]]を含有するものも報告されている。こうしたプレモーターニューロンには、上位の脳領域からの体温調節指令を受け取り、統合した信号を脊髄の出力システムに伝達する役割がある。 | |||
プレモーターニューロンに興奮性の入力を行う上位の脳領域としては、[[視床下部背内側部]]（dorsomedial hypothalamus）が知られている。一方、プレモーターニューロンに抑制性の入力を行う脳領域はいくつか存在するが、体温調節性の制御に関わる抑制性入力は、視索前野から行われると考えられている。視索前野には体温調節中枢が存在し、自律性体温調節反応の惹起を指令する司令塔として機能する。視索前野には[[下行性]][[投射]]を行う[[ニューロン]]が存在し、視床下部背内側部や淡蒼縫線核へ[[Tonic]]な抑制性の入力を行うことで、これらの領域のニューロン群の活動を制御する。したがって、視索前野からの下行性抑制のトーンが最終的な体温調節性の交感神経や運動神経の出力レベルを決定している。 | |||
例えば、暑熱環境では、視索前野からの下行性抑制が強まり、視床下部背内側部や淡蒼縫線核のニューロンの活動が低下する。したがって、交感神経や体性運動神経の出力が小さくなるため、熱産生が抑制され、皮膚血管が拡張することにより体熱の放散が促進される。一方、寒冷環境では、視索前野からの下行性抑制が弱まることで、視床下部背内側部や淡蒼縫線核のニューロンが脱抑制される。したがって、こうしたニューロンからの[[興奮性信号]]が交感神経や運動神経の出力を増強する。したがって、熱産生が惹起され、皮膚血管が収縮することにより体熱の放散が抑制される。 | |||
[[Image:Thermoregulation2.jpg|thumb|center|750px|体温調節および発熱の神経回路]]<br> | |||
== 感染性発熱の神経回路 == | == 感染性発熱の神経回路 == | ||
[[ | 感染が起こると免疫系が活性化され、[[サイトカイン類]]が血中で産生される。これが脳の[[血管内皮細胞]]へ作用すると、内皮細胞内で[[シクロオキシゲナーゼ−２]]（cyclooxygenase-2、COX-2）などの[[プロスタグランジン合成酵素群]]が発現し、[[発熱メディエーター]]である[[プロスタグランジン]]E<sub>2</sub>（prostaglandin E<sub>2</sub>、PGE<sub>2</sub>）が産生される。プロスタグランジンE<sub>2</sub>は[[脳実質]]内へ拡散し、視索前野のニューロンに存在する[[プロスタグランジンEP3受容体]]に作用する。EP3受容体は抑制性の[[Ｇ蛋白質]]と共役するので、結果的に視索前野のニューロンは抑制される。EP3受容体を発現する視索前野のニューロンはGABA作動性の抑制性ニューロンであり、視床下部背内側部や淡蒼縫線核へ投射することが分かっている。したがって、プロスタグランジンE<sub>2</sub>がEP3受容体を発現する視索前野のニューロンの活動を低下させると、寒冷環境における対寒反応の惹起と同様、視床下部背内側部や淡蒼縫線核のニューロンの脱抑制が起こるため、熱産生が惹起され、皮膚血管が収縮する。寒冷環境でもない状態でこうした反応が起こると、体温の上昇につながる。これが発熱と呼ばれる生理反応である。 | ||
== 体温調節のための温度感覚 == | |||
== | ==== フィードバック制御に関わる温度感知 ==== | ||
体温を生理的に適正な温度域に維持するには、中枢が体温（深部体温）を感知することが必要である。中枢は、体温が至適温度域から逸脱したことを感知し、適正な方向へ戻すための反応を惹起するのである。このような体温調節様式を[[フィードバック制御]]という。深部体温を感知するニューロンとしては、視索前野や[[前視床下部]]（anterior hypothalamus）に存在する温度感受性ニューロンが知られており、その多くは、脳組織温度が上昇することによって[[発火頻度]]が上昇する温ニューロン（warm-sensitive neuron）である。視索前野や前視床下部の組織温度は、体深部から循環してくる血液の温度の影響を受けるため、深部体温の変動に連動して変化する。そして実験的には、視索前野の局所を冷却すると熱産生が惹起され、加温すると皮膚血管の拡張が起こることが知られている。したがって、脳組織温度に依存した温ニューロンの活動レベルが体温調節反応の出力を決定すると考えられている。 | |||
==== フィードフォワード制御に関わる温度情報の伝達 ==== | |||
体温の維持には、深部体温の感知だけでなく、皮膚の[[知覚神経末端]]に存在する[[温度受容器]]による環境温度の感知も必要である。環境温度が変化した時には、皮膚でそれをいち早く感知し、体温調節中枢へ伝達することによって、深部体温が影響を受けて変動してしまう前に適切な体温調節反応を惹起することが可能になる。このような体温調節様式を[[フィードフォワード制御]]という。皮膚の温度受容器で感知した温度情報は、脊髄の[[後角]]（dorsal horn）を経て、[[橋]]の[[外側結合腕傍核]]（lateral parabrachial nucleus）へ伝達され、そこから視索前野へと入力される。この経路では、温覚と冷覚を中継するニューロン群は別に存在し、独立して視索前野へ入力される。例えば、外側結合腕傍核では、温覚を中継するニューロンは背側部に局在し、冷覚を中継するものは外側部に局在する。 | |||
== セットポイント仮説の修正 == | |||
長らくの間提唱されてきた体温調節システムに関する仮説として、セットポイント仮説がある。これは、中枢において体温の単一のセットポイントが設定されており、深部体温が設定温度から逸脱した場合には設定値へ戻すようなフィードバック反応が惹起されるという考え方である。しかし、研究が進むにつれ、体温調節は深部体温だけでなく皮膚で感知した環境温度にも基づいて適切な反応が惹起されること、また、末梢の体温調節効果器の種類によって反応が惹起される温度（深部体温あるいは皮膚温度）の閾値が異なることなどが分かり、深部体温と単一のセットポイントとの単純な比較で体温が調節されているのではないことが明らかとなってきた。 | |||
現在では、深部体温と末梢温度（主に皮膚温度）の情報が体温調節中枢で統合され、それに基づいて適切な体温調節反応の種類と強度が決定され、出力されるという考え方が主流である。こうした温度情報の統合と反応出力の決定に関わる中枢神経回路メカニズムについては分かっていないことが多い。しかし、視索前野から視床下部背内側部や淡蒼縫線核へ下行性抑制を行う[[投射ニューロン]]の[[発火活動]]が体温調節反応の出力強度を決定しているという上記のモデルに従えば、この投射ニューロンが、温ニューロンとしての温度感受性や、またEP3受容体を発現して感染時にプロスタグランジンE<sub>2</sub>を受容する機能を有する可能性があるが、証明は行われていない。 | |||
同義語：体温、体温調節 | |||
重要な関連語：発熱、高体温症、低体温症、熱産生、産熱、ふるえ、シバリング | |||
（執筆者：中村和弘、担当編集委員：渡辺 大） | |||
2012年3月1日 (木) 12:03時点における版
英語名：Neural circuitry for thermoregulation、Neural circuitry for body temperature regulation
体温を維持・調節するために機能する、温度感覚情報の伝達と統合、ならびに体温調節効果器への指令を行う中枢および末梢の神経回路。ここでは哺乳類の体温調節の神経回路を扱う。
人間を含めた哺乳動物（恒温動物）では、体温を一定に保つために、体内から環境中への熱の放散を調節し、必要な時には体内で積極的に熱を産生する。また、感染が起こった時には発熱を起こし、体温を病原体の増殖至適温度域よりも高くすることで、その増殖を抑制する。こうした生体の反応は、脳内の体温調節中枢を司令塔とする中枢神経システムが、末梢の様々な効果器へ指令することによって惹起される。体温調節中枢は、視床下部の最吻側に位置する視索前野（preoptic area）と呼ばれる部位にあり、感染時の発熱を指令する発熱中枢でもある。
体温調節反応の種類
体温の調節に関わる生体の反応は、自律性体温調節反応と行動性体温調節反応に分類される。
自律性体温調節反応
自律性体温調節反応には、体内で熱の産生を行う反応と環境中への体熱の放散を調節する反応がある。
熱産生反応
体内の熱は、様々な化学反応や筋運動の副産物として産生されるが、それに加えて、体温調節を目的とした積極的な熱の産生が、主に褐色脂肪組織と骨格筋で行われる。褐色脂肪組織は交感神経系による強い支配を受け、代謝性（非ふるえ）熱産生が起こる。骨格筋では、体性運動神経を介したふるえ熱産生（シバリング）が起こる。
熱放散反応
体熱の放散の様式には、蒸散性熱放散と非蒸散性熱放散の２種類が存在する。蒸散性熱放散は、体表面の水分が蒸発する際に体熱を気化熱として奪うことを利用して熱の放散をうながす反応である。暑熱環境では、人や馬は汗腺より分泌した汗を蒸発させることで熱放散を促す。汗腺は交感神経の支配を受けるが、他の効果器とは異なり、神経末端からはアセチルコリンが放出される。ラットやマウスは唾液の分泌量を増やし、それを体表面に塗布する。犬はパンティング（あえぎ）を行うことで、口腔内や気道表面の水分の蒸発量を増加させる。
非蒸散性熱放散は、水分の蒸発を伴わず、体表面から環境中への熱の伝導や放射による熱放散反応である。非蒸散性熱放散において重要な働きをする器官の一つとしては、皮膚の血管が挙げられる。皮膚血管は主に交感神経による調節を受け、神経終末から放出されるノルアドレナリンの作用によって血管の収縮が起こる。皮膚血管の収縮は皮膚血流の低下につながるので、体表面からの熱の放散が抑制される。一方、交感神経活動の低下は皮膚血管の平滑筋の弛緩につながり、血管径が拡張するので、皮膚血流の増加による体熱の放散促進につながる。また、人間の皮膚血管には、積極的に拡張させる神経も存在することが知られているが、放出する神経伝達物質など、その実体はよく分かっていない。寒冷環境では鳥肌が立つことがあるが、これも非蒸散性熱放散反応の一種である。猿や犬など、長い体毛を持つ動物では、立毛筋を収縮させ、毛を立てることで、体毛によって構成される皮膚の外側の空気の層の厚くし、体熱の放散を減少させる。人間の皮膚には体毛が少ないので、立毛させることによる効果はほとんどないが、進化上の名残として反応が残っているのである。
行動性体温調節反応
行動性体温調節は、体温の維持を目的とし、意志に基づいて意識的に行う行動である。例えば、体温の維持に適した温度環境に移動するという行動に加え、「寒いのでコートを羽織る」、「暑いので冷房のスイッチを入れる」などの行動も含まれる。こうした行動の基盤には、暑さ・寒さに起因する情動が関与すると考えられるが、その中枢神経回路に関する仕組みはほとんど分かっていない。
自律性体温調節の指令を行う神経回路
自律性体温調節反応のうち、褐色脂肪組織熱産生や皮膚血管収縮は脊髄の中間外側核（intermediolateral nucleus）からの交感神経出力によって惹起され、ふるえ熱産生は脊髄の前角（ventral horn）からの体性運動出力を介して惹起される。こうした脊髄からの出力は、延髄の淡蒼縫線核（raphe pallidus nucleus）を中心とした領域に分布するプレモーターニューロンによって制御される。このプレモーターニューロンのうち、褐色脂肪組織熱産生や皮膚血管収縮の指令を伝達する交感神経プレモーターニューロンは、小胞性グルタミン酸トランスポーター３（VGLUT3）を発現し、脊髄中間外側核においてグルタミン酸を放出すると考えられている。この交感神経プレモーターニューロン群のうち、約２０％はセロトニンも含有する。また、GABAを含有するものも報告されている。こうしたプレモーターニューロンには、上位の脳領域からの体温調節指令を受け取り、統合した信号を脊髄の出力システムに伝達する役割がある。
プレモーターニューロンに興奮性の入力を行う上位の脳領域としては、視床下部背内側部（dorsomedial hypothalamus）が知られている。一方、プレモーターニューロンに抑制性の入力を行う脳領域はいくつか存在するが、体温調節性の制御に関わる抑制性入力は、視索前野から行われると考えられている。視索前野には体温調節中枢が存在し、自律性体温調節反応の惹起を指令する司令塔として機能する。視索前野には下行性投射を行うニューロンが存在し、視床下部背内側部や淡蒼縫線核へTonicな抑制性の入力を行うことで、これらの領域のニューロン群の活動を制御する。したがって、視索前野からの下行性抑制のトーンが最終的な体温調節性の交感神経や運動神経の出力レベルを決定している。
例えば、暑熱環境では、視索前野からの下行性抑制が強まり、視床下部背内側部や淡蒼縫線核のニューロンの活動が低下する。したがって、交感神経や体性運動神経の出力が小さくなるため、熱産生が抑制され、皮膚血管が拡張することにより体熱の放散が促進される。一方、寒冷環境では、視索前野からの下行性抑制が弱まることで、視床下部背内側部や淡蒼縫線核のニューロンが脱抑制される。したがって、こうしたニューロンからの興奮性信号が交感神経や運動神経の出力を増強する。したがって、熱産生が惹起され、皮膚血管が収縮することにより体熱の放散が抑制される。
感染性発熱の神経回路
感染が起こると免疫系が活性化され、サイトカイン類が血中で産生される。これが脳の血管内皮細胞へ作用すると、内皮細胞内でシクロオキシゲナーゼ−２（cyclooxygenase-2、COX-2）などのプロスタグランジン合成酵素群が発現し、発熱メディエーターであるプロスタグランジンE2（prostaglandin E2、PGE2）が産生される。プロスタグランジンE2は脳実質内へ拡散し、視索前野のニューロンに存在するプロスタグランジンEP3受容体に作用する。EP3受容体は抑制性のＧ蛋白質と共役するので、結果的に視索前野のニューロンは抑制される。EP3受容体を発現する視索前野のニューロンはGABA作動性の抑制性ニューロンであり、視床下部背内側部や淡蒼縫線核へ投射することが分かっている。したがって、プロスタグランジンE2がEP3受容体を発現する視索前野のニューロンの活動を低下させると、寒冷環境における対寒反応の惹起と同様、視床下部背内側部や淡蒼縫線核のニューロンの脱抑制が起こるため、熱産生が惹起され、皮膚血管が収縮する。寒冷環境でもない状態でこうした反応が起こると、体温の上昇につながる。これが発熱と呼ばれる生理反応である。
体温調節のための温度感覚
フィードバック制御に関わる温度感知
体温を生理的に適正な温度域に維持するには、中枢が体温（深部体温）を感知することが必要である。中枢は、体温が至適温度域から逸脱したことを感知し、適正な方向へ戻すための反応を惹起するのである。このような体温調節様式をフィードバック制御という。深部体温を感知するニューロンとしては、視索前野や前視床下部（anterior hypothalamus）に存在する温度感受性ニューロンが知られており、その多くは、脳組織温度が上昇することによって発火頻度が上昇する温ニューロン（warm-sensitive neuron）である。視索前野や前視床下部の組織温度は、体深部から循環してくる血液の温度の影響を受けるため、深部体温の変動に連動して変化する。そして実験的には、視索前野の局所を冷却すると熱産生が惹起され、加温すると皮膚血管の拡張が起こることが知られている。したがって、脳組織温度に依存した温ニューロンの活動レベルが体温調節反応の出力を決定すると考えられている。
フィードフォワード制御に関わる温度情報の伝達
体温の維持には、深部体温の感知だけでなく、皮膚の知覚神経末端に存在する温度受容器による環境温度の感知も必要である。環境温度が変化した時には、皮膚でそれをいち早く感知し、体温調節中枢へ伝達することによって、深部体温が影響を受けて変動してしまう前に適切な体温調節反応を惹起することが可能になる。このような体温調節様式をフィードフォワード制御という。皮膚の温度受容器で感知した温度情報は、脊髄の後角（dorsal horn）を経て、橋の外側結合腕傍核（lateral parabrachial nucleus）へ伝達され、そこから視索前野へと入力される。この経路では、温覚と冷覚を中継するニューロン群は別に存在し、独立して視索前野へ入力される。例えば、外側結合腕傍核では、温覚を中継するニューロンは背側部に局在し、冷覚を中継するものは外側部に局在する。
セットポイント仮説の修正
長らくの間提唱されてきた体温調節システムに関する仮説として、セットポイント仮説がある。これは、中枢において体温の単一のセットポイントが設定されており、深部体温が設定温度から逸脱した場合には設定値へ戻すようなフィードバック反応が惹起されるという考え方である。しかし、研究が進むにつれ、体温調節は深部体温だけでなく皮膚で感知した環境温度にも基づいて適切な反応が惹起されること、また、末梢の体温調節効果器の種類によって反応が惹起される温度（深部体温あるいは皮膚温度）の閾値が異なることなどが分かり、深部体温と単一のセットポイントとの単純な比較で体温が調節されているのではないことが明らかとなってきた。
現在では、深部体温と末梢温度（主に皮膚温度）の情報が体温調節中枢で統合され、それに基づいて適切な体温調節反応の種類と強度が決定され、出力されるという考え方が主流である。こうした温度情報の統合と反応出力の決定に関わる中枢神経回路メカニズムについては分かっていないことが多い。しかし、視索前野から視床下部背内側部や淡蒼縫線核へ下行性抑制を行う投射ニューロンの発火活動が体温調節反応の出力強度を決定しているという上記のモデルに従えば、この投射ニューロンが、温ニューロンとしての温度感受性や、またEP3受容体を発現して感染時にプロスタグランジンE2を受容する機能を有する可能性があるが、証明は行われていない。
同義語：体温、体温調節
重要な関連語：発熱、高体温症、低体温症、熱産生、産熱、ふるえ、シバリング
（執筆者：中村和弘、担当編集委員：渡辺 大）