Frontiers｜MSNA結合fMRIによるヒトのRVLMの活動増加の特定｜神経科学

血圧調節におけるRVLMの役割

無脊椎動物での古典的研究から、血圧調節には脳幹、特に延髄の損傷がないことが長く知られてきた。延髄直下の脊髄を切断すると血圧が急激に低下するが、橋本髄質接合部の脳幹を切断すると低下しない。血圧を比較的狭い範囲に維持するためには、単純な反射弧である圧反射の完全性に依存する。頸動脈洞と大動脈弓にある圧受容器は、動脈壁の半径方向の伸縮に敏感で、したがって腔内圧力に敏感です。圧受容器は血圧の脈動変動を検出し、舌咽頭神経と迷走神経を介して、興奮性シナプス突起を第一内臓感覚核である孤束核 (NTS) に送ります。そして、NTS内の2次ニューロンから尾側腹外側髄質（CVLM）のニューロンへ興奮性投射が行われ、尾側腹外側髄質（RVLM）は緊張性抑制制御を行う（Dampneyら、2003a、b；Guyenet、2006年）。交感神経の血管収縮神経はほとんどすべてRVLMに由来し、RVLMの電解性病変は血圧の急激な低下をもたらす（Kumada et al, 1979; Dampney and Moon, 1980）。しかし、RVLMが血圧の維持に重要であるというこの考え方が間違っていることを示唆する証拠がある。最近、Wenkerら（2017）は、アーキロドプシンを発現するRVLM神経細胞をレーザーで阻害しても、意識のあるラットの血圧を大きく下げることができないことを示しました。しかし、著者らは、アーチェロドプシンを発現した神経細胞の50％強であることを認めており、レーザー刺激時に不十分な阻害が生じた可能性がある＜8635＞＜5419＞RVLMが筋肉、脾臓、および腎臓血管床への交感神経血管収縮駆動の主要出力核（独占的ではないものの）であることから（Dampney and McAllen、1988；McAllenら、.J．このため、末梢の交感神経血管収縮神経活動を測定することで、RVLMや脊髄に直接投射する視床下部室傍核（PVN）のような脊髄投射神経を持つ他の核の活動状態を推測することができる（Shaftonら、1998; Pyner and Coote、2000)。しかし、意識のあるウサギでは、脊髄投射PVN神経は圧受容器入力に反応しないことを考えると（Dampney et al, しかし、棘突起PVN神経が意識のあるウサギで圧受容器入力に反応しないことから(Dampney et al., 2003b)、この核は骨格筋のような全末梢抵抗の調節に関与する血管床への安静時血管収縮駆動にほとんど寄与していないと思われる。筋交感神経活動（MSNA）は、心拍と強い時間的結合を示す自発的バーストとして発生します。バーストは心拍の合間に発生し、心拍間隔が長いほど、拡張期圧が低く、MSNAのバーストの発生率と振幅が大きくなります（Macefield、2013年）。正常血圧のヒトでは安静時MSNAと血圧の間に関連はありませんが（Joynerら、2010）、MSNAの上昇が神経原性高血圧の発症に寄与することはよく知られています（Wallinら、1973；Grassiら、1998；Schlaichら、,

Functional Identification of the Human RVLM Using MSNA-Coupled fMRI

10年近く前に、MSNAの直接記録と脳幹のfMRIを組み合わせたMSNA結合機能磁気共鳴イメージング（fMRI）に関する最初の論文（Macefield and Henderson, 2010）を発表しました。末梢で記録したMSNAの自発的バーストの発生率と振幅の変動から、BOLD（血液酸素レベル依存）信号強度の共分散変動を同定するというアプローチで、信号の発生を担う脳幹の個々の核を同定したのです。つまり、脳のイメージングと同時に出力信号を記録することで、出力信号の中心的な発生源を特定することができたのです。大きな磁場（3テスラ、現在は7テスラで行っています）で小さな神経信号を記録することの技術的な難しさを考えると、これはこれまでにない試みでした。我々の方法論の詳細は他（Macefield and Henderson, 2010, 2016, 2019）にあるが、仰臥位被験者の右総腓骨神経の筋束に経皮的に挿入したタングステン微小電極を介してMSNAの短い自発バーストを記録し、神経活動を増幅、フィルター（2×104、0.3-5.0 kHz; NeuroAmpEx, ADInstruments, Sydney, NSW, Australia）を行い、コンピュータ上で10 kHzでサンプリングした（PowerLab 16S and LabChart 7 software, ADInstruments）。頭部は32チャネルのSENSEヘッドコイルで囲み、スパースグラディエントエコーサンプリングプロトコルを実行した：27分かけて200ボリューム（TR = 8秒、TE = 4秒、フリップ角 = 90°、生ボクセルサイズ = 1.5×1.5×2.75 mm）を取得し、それぞれのボリュームは尾側から腹側方向に収集し頸髄上部から頂点までの46枚の軸位切片で構成されている。各8秒間のTRは、fMRIボリューム全体を収集する最初の4秒間の「ON」フェーズと、4秒間の非走査「OFF」フェーズからなり、この間に4つの1秒エポックごとにMSNAのバーストが測定された。 BOLD信号強度（SPM12、未補正p < 0.001）は、末梢記録部位への交感神経ボレーの到達に要する約1秒（Fagius and Wallin、1980）および神経細胞活動とBOLD信号の生成の間の約5秒の血行動態上の遅延を考慮して、その後の4秒間に、4個の1秒エポックのそれぞれで測定した（Logothetis et al.、2001）。 BOLD信号強度の自発的変動がMSNA信号のバースト振幅の自発的変動と共振していることから、脳の領域がMSNAの調節に関与していると同定された。言い換えれば、これらの領域はMSNAのバーストと時間的に結合しているため「飛び出して」いる。

図1Aは、最大吸気呼吸保持（MSNAの持続的増加を引き起こす操作）を3セット行った際の、延髄におけるBOLD信号強度の両側性増加を15人の参加者で示している（Macefieldら、2006年）。これらのクラスターは、ヒトのRVLMのホモログであると考えられる。ヒトのRVLMは、ウサギで最初に同定された髄質の腹外側ではなく、髄質の背外側に位置している（図1B）。これは、アンジオテンシンIIタイプIA受容体（AT1AR）が高密度に存在するためにそのように同定されたヒトRVLMが、ヒトでは大きな下オリーブによって変位しているからです（Allenら、1998年）。図1Cでは、ある参加者について、これらの同じ領域におけるMSNA結合BOLD信号強度の両側性の増加を示す。BOLD信号とMSNA信号が時間とともに共変することがわかり、図1Dにこの同じ参加者の30秒間のサンプルについて示す。 (A)15人の参加者における3回の最大吸気保持のセット中のMSNAの持続的増加時に背外側髄質-ヒトの腹外側髄質（RVLM）の領域-におけるBOLD信号強度の両側の増加を示す吻側髄質の軸方向断面図。 (B）アンジオテンシンII受容体の高密度結合に基づくヒトRVLMの組織化学的同定（データはAllenら、1998年の許可を得て再掲載）。 (C) RVLMの領域におけるMSNA結合BOLD信号強度の両側性増加。 (D)同じ参加者のパネル(C)で示した領域で30秒間に測定した、各1秒間のエポックにおけるMSNAの総振幅と対応する1秒間のエポックにおけるBOLD信号強度の共変動。 Macefield and Henderson（2019）から許可を得て複製した。

図2は、8人の参加者の平均データを示している。 MSNA結合信号強度はRVLMで高く、NTSとCVLMに対応する領域で低かった。これは、MSNAの自発的バーストは拡張期血圧が低いときにのみ起こり、したがって、動脈圧受容器からのNTSへの興奮性入力も低いことを考えると、理にかなったことである。そして、NTSはCVLMに興奮性投射を送るので、この核のBOLD信号強度も低くなる。拡張期血圧が高いときにMSNAのバーストがない場合は、その逆である。このように、これらの知見は、上記で言及した実験動物で同定された直列NTS-CVLM-RVLM圧反射回路がヒトにも存在することを示している（MacefieldとHenderson, 2010）。また、MSNAのバーストが発生したときにBOLD信号強度が高くなる尾側髄質の部位が一方（左）に存在することがわかる。このクラスタは、RVLMに興奮性の突起を送ることが知られている領域（Dampneyら、2003a、b）、尾側圧野（CPA）に相当すると考えられる

図2

Figure 2.尾側髄質（cA）、CPA（pA）。安静時の自発的な筋交感神経活動（MSNA; total burst activity）と相関する脳幹内の機能的磁気共鳴画像（fMRI）信号強度の有意な増加（暖色スケール）および減少（寒色スケール）；7つの実験からのデータ。 (A）T1強調脳幹テンプレートの矢状および軸方向スライスに有意な変化を重ね合わせ、各スライスの右上にモントリオール神経研究所空間でのスライス位置を示した。 (B)同等の組織切片。 MSNAの自発的バーストは、吻側腹外側髄質（RVLM）および尾側圧領域（CPA）の領域における信号強度の増加と、尾側腹外側髄質（CVLM）および孤束核（NTS）の領域における減少を伴うことに注意されたい。 Macefield and Henderson（2019）から許可を得て複製した。

我々はまた、MSNA結合fMRIを用いて、脳幹より上の構造を特定した。図3に示すように，MSNA結合信号強度は，左島，左右の背外側前頭前野（dlPFC），後帯状皮質（PCC），楔前部などの多くの個別領域で高値を示した。また、左背内側視床下部（DMH）、左右の視床下部（VMH）にも有意なMSNA結合信号強度が見られた。 DMHもVMHも脊髄に直接投射していないが、DMHはRVLMを介して交感神経流出に影響を与え（DiMiccoら、2002；Horiuchiら、2004；Wangら、2010）、VMHはDMH、中脳水道周囲核（PAG）、傍上腕核およびNTSを介して作用する（ter Horst and Luiten, 1986；Canteras ら、1994；Jansenら、1995）。しかし、PVNには信号がなかったことに注意されたい。PVNは、上述のように、視床下部核の中でRVLMへの投射と並行して脊髄に直接投射することが知られている核である（Shaftonら、1998；Pyner and Coote、2000）

図3

Figure 3. 健常者14名における筋交感神経活動（MSNA）と相関する機能的磁気共鳴画像法（fMRI）信号強度の増減。ホットカラースケールは、MSNAが高い時期に信号強度が高く、MSNAが低い時期に信号強度が低くなる領域を示す。逆に、クールなカラースケールは、低MSNA時に信号強度が高く、高MSNA時に信号強度が低い領域を示している。クラスターは、個々の被験者のT1強調解剖学的スライスのアキシャル、コロナル、サジタルに重ねられ、モントリオール神経空間におけるスライス位置は、各セクションの右上に示されている。図4に示すように、これらの領域がMSNAのバーストに機能的に結合していることに加え、結合性解析により、RVLMが前島、PCC、頭頂葉、VMHおよびDMH、PAGおよび背外側小脳（dlPons）に機能的に結合していることが判明した。つまり、これらの領域はすべてMSNAの自発的バーストの生成に機能的に結合しており、それゆえ安静時のMSNAの生成および/または制御に関与している可能性が高いのである。 RVLM、VMH、dlPFC、PCC、楔前部での変化は両側性であったが、NTS、CVLM、CPA、DMH、島皮質など特定の領域での信号強度の変化が対称的でないことに我々は驚かされた。我々は常に右総腓骨神経からMSNAを記録したが、MSNAの両側記録で示されたように、左右の脚に向けられたMSNAのバーストの発生率と振幅は共に対称であることを考えると（Sundlof and Wallin, 1977; El Sayed et al, 2012）、これらの左右差を説明しようと試みることは、純粋に推測にすぎないだろう。我々は、我々が同定した交感神経コネクトームの機能的意義を検討した我々の最近のレビューに読者を導く（Macefield and Henderson, 2019）

図4

図4. 健常者29名における安静時の信号強度変動が吻側腹外側髄質（RVLM）と有意に正結合している脳領域。パネル(A)は脳吻部に焦点を当てた解析結果、パネル(B)は脳幹部のみに焦点を当てた解析結果を示す。 RVLMとの有意な正の信号結合をホットカラーで示し、平均T1強調解剖画像の軸位、冠位、矢状断に重ねた。モントリオール神経空間でのスライス位置は各セクションの右上に示されている。 Macefield and Henderson（2019）から許可を得て複製した。

Changes in MSNA-Coupled Bold Signal Intensity During Physiological Increases in MSNA

我々はすでに、最大吸気呼吸停止中にRVLMでBOLD信号強度が増加し（図1A参照）、NTSとCVLMの信号強度が低下することを示していた（Macefield et al.2006）、4分間の静的ハンドグリップ運動後に6分間の運動後虚血を誘発し、代謝受容体を活性化する際にNTSとRVLMの両方で信号強度が増加することが示されている（Sander et al.2010）。それ以前の研究では、バルサルバ運動中に延髄と大脳皮質背側でBOLD信号強度が増加することも示されており（Harperら、2000；Hendersonら、2002）、NTSと（NTSが投射する）傍上腕核の信号強度の増加は、最大吸気努力、等尺性ハンドグリップ運動とバルサルバ運動中に報告されている（Topolovecら、2004）。しかし、これらの研究では、MSNAが同時に記録されたものはなかった。

我々は最近、高張食塩水を40分間下肢筋に注入して誘発する実験的筋肉痛時の脳の機能変化を調べたが、これはある参加者でMSNAの持続的増加を引き起こすが他の参加者は持続的に減少する。このパターンはある個人で再現性があり、我々は最近緊張性筋肉痛時にMSNAが増加する人はいくつかの領域でBOLD信号強度が増加していることを示した (Kobuch et al.)。 2017, 2018）、左の前島と前内側前頭前野（mPFC）、右のdlPFCと前帯状皮質（ACC）などで信号強度が増加し、左のmPFCとdlPFCで信号強度が減少しました（図5）。また、左のDMHで信号強度の増加が見られ、これはストレスに対する自律神経反応の生成におけるこの核の役割と一致する（DiMiccoら、2002；Fontesら、2017）。脳幹に特化した解析でも、MSNAの増加を示す群ではRVLMとdlPons、およびNTS（図示せず）のBOLD信号強度が増加し、MSNAが低下した群では中脳PAGの活動のみが持続的に増加した（図6）

FIGURE 5

FIGURE 5. (A）強直性筋痛時にBOLD信号強度の増加が大きい、あるいは小さい脳領域。有意なクラスターは、37人の被験者全員から作成した平均T1強調解剖学的画像セットに重ねて表示される。 MNI空間におけるスライス位置は、各画像の右上に示されている。画像の左側は、侵害刺激に対して対側である。 (B)増加群（オレンジ）と減少群（青）のベースライン時と疼痛時（グレーシェード）の5分毎の平均（±SEM）変化率のプロット。 Kobuchら（2017）から許可を得て転載。

FIGURE 6

Figure 6. (A）緊張性筋肉痛時にMSNA減少群（n=10）と比較してMSNA増加群（n=20）で信号強度増加が大きい（ホットカラースケール）または小さい（クールカラースケール）脳幹領域。有意なクラスタは、30人の被験者から作成した平均的なSUIT T1強調解剖学的画像セットに重ねて表示された。 (B) MSNA増加群（オレンジ）とMSNA減少群（青）の有意なクラスターについて、ベースライン期間に対する疼痛時の平均（±SEM）信号強度変化のパーセントをプロットした。 RVLMはrostroventrolateral medulla、dlPonsはdorsolateral pons、PAGはmidbrain periaqueductal gray。 Kobuchら（2017）から許可を得て複製した。

MSNAは脳をスキャンすると同時に記録されたので、次にBOLD信号強度とMSNAの振幅における疼痛誘発性の変化とを相関させることができた。安静時，BOLD信号強度はRVLM，島，dlPFC，PCC，楔前部でMSNAのバーストに強く結合し，中脳PAGの領域で減少した。疼痛時には、右のNTSと腹外側PAG、右のdlPFCとACC、左の島とmPFCの領域でMSNA結合BOLD信号強度が有意に高く、逆に左のdlPFCとmPFCの一部で疼痛時にMSNA結合信号強度が低下した（Kobuchら、2018年）。 37人の参加者のBOLD信号強度の変化とMSNAバースト振幅の変化との相関を示す平均データを図7に示す。これらの結果は、脳のいくつかの領域がバースト間で関与しており、これらの信号強度の変化の大きさは、緊張性筋肉痛時のMSNA振幅の全体的な変化と相関していることを示している（Kobuch et al.）興味深いことに、いくつかの重要な脳領域は、痛みに関連した変化を示さなかった。例えば、RVLMと楔前部は安静時にMSNAとの強い結合を示すことを発見していたが、緊張性筋肉痛の間、これらの領域のどちらもMSNAバースト強度の関数として信号強度の変化を示さなかった。しかしながら、上述のように、これらの領域の両方は、MSNA増加群において持続的な信号強度の増加を示し、MSNA減少群において減少を示し、RVLMおよび楔前部の両方が、筋肉痛の間にバーストからバーストへの様式で変化するというよりも緊張性調節役割を提供する可能性を示唆した（Kobuchら、2018）＜8635＞＜1222＞FIGURE 7＜4389＞＜3615＞＜5419＞FIGURE 7. 全37名の緊張性疼痛時のMSNA共役BOLD信号強度のプロット。すべての領域で、BOLD信号強度の変化とMSNAのバースト振幅の変化との間に有意な線形関係があることがわかる。 Kobuchら（2018）より許可を得て転載

Changes in MSNA-Coupled Bold Signal Intensity During Pathophysiological Increases in MSNA

Patients with Obructive sleep apnoea (OSA) have markedly elevated MSNA at rest, due to the repetitive episodes of nocturnal hypoxemia associated with collapse of the upper airways, which leads the neurogenic hypertension.このような病的高血圧の患者は、上気道の崩壊により夜間低酸素血症を繰り返し、安静時に著しく高いMSNAを有する。これは、高MSNAの病態生理学的モデルである。図8に示すように、MSNA結合BOLD信号強度は、以下の領域において対照群よりもOSAで高かった：dlPFCおよびmPFC両側、背側頭頂葉、ACC、後頭葉皮質（RSC）、尾状核（Fatouleh et al.，2014）。これらのデータは、MSNAの上昇は、おそらく脳幹核への影響を介して、より高い皮質領域の変化によって駆動されている可能性があることを示唆している

FIGURE 8

FIGURE 8. MSNAと連動したBOLD信号強度の変化がOSAで対照群と比較して有意に異なっていた脳領域。濃い網掛けは解析に含まれない脳領域を示す。 ACC：前帯状皮質、dlPFC：背外側前頭前野、mPFC：内側前頭前野、RSC：後頭葉皮質。 Fatoulehら（2014）から許可を得て複製した。

実際、図9に示すように、脳幹の高解像度スキャンにより、髄質ラフェ、RVLM、dlPons、中脳など多くの脳幹領域でMSNAの自発バーストとBOLD信号強度との間の有意な結合、および同じ領域での灰白質の体積の著しい増加が認められた（Lundbladら、2014）。この灰白質体積の増加にはいくつかのメカニズムが考えられますが、これらの変化はアストロサイトの活性化やグリオトランスミッションの変化によるシナプス活性の調節によってもたらされている可能性があります。実際、海馬などの皮質領域では、慢性的な間欠的低酸素がアストロサイトの活性化と関連していることが報告されている（Aviles-Reyesら、2010年）。低酸素状態が繰り返されると、海馬、dlPons、RVLMにおいてアストロサイトの活性化が引き起こされ、灰白質密度の上昇と一致する可能性がある。不思議なことに、この灰白質体積の増加にもかかわらず、MSNA結合BOLD信号強度は、図9に示すように、実際には対照群よりもOSAで低下していた。これは、dlPonsおよび髄質ラペによる腹外側髄質前運動交感神経に対する緊張性抑制駆動の減少が、OSAにおける安静時MSNAの増加をもたらしている可能性がある。 BOLD信号はシナプスのエネルギー依存プロセスを反映していると考えられていることから（Logothetisら、2001）、この核からの出力が増加している（MSNAが高い）にもかかわらずRVLM内の信号強度が減少したのは、RVLMへの活性抑制の減少を反映していると考えられる。アストロサイトの活性化は、グルタミン酸、ATP、あるいはGABAなどのグリオトランスミッターの放出を通じて、シナプスのダイナミクスを変えるかもしれない（Halassaら、2007；Ben Achour and Pascual、2012）。基礎となるメカニズムにかかわらず、我々のデータは、OSAにおけるMSNAおよび血圧の上昇の原因となりうる変化が脳に存在することを示している。言い換えれば、脳内の病態生理学的変化が、OSAの臨床的特徴の1つである高血圧を引き起こしているのである。もしこれが本当なら、この病態の治療によってこれらの変化が逆転することが期待できるかもしれない。実際、我々は、MSNAの有意な低下をもたらす6ヶ月間の連続気道陽圧（CPAP）が、OSAで見られる機能的変化の逆転を引き起こすことを示した（Fatouleh et al. MSNA結合BOLD信号強度がOSAとコントロールで有意に異なる脳幹領域。信号強度はコントロールで増加したが、OSAで減少した。 Lundbladら（2014）から許可を得て複製した。

結論

筋交感神経活動結合fMRIにより、ヒトRVLMを機能的に特定し、その進行中の活動が安静時にいくつかの皮質および皮質下構造に結合されていることを示した。さらに、この結合の強さは、MSNAの増加をもたらす生理的または病態生理学的プロセスによって変化することが可能である。生理的なMSNAの増加はRVLMのBOLD信号強度の増加をもたらすが、OSAに見られるMSNAの病態生理学的増加では、BOLD信号が低下するように見えるが、これは進行中の抑制が減少したためと解釈される。実際、ヒトのRVLMの安静時の出力は、積極的な抑制によって抑制されており、抑制が解除されるとMSNAと血圧の上昇につながることが示唆される。もちろん、他の脳幹あるいは視床下部領域がMSNAの生理的あるいは病態生理学的な増加に寄与している可能性も排除できないが、他の多くの脳幹および視床下部領域から入力を受けるRVLMに著しい変化が見られるという事実は、我々が見るものの多くが実際にRVLM内の変化に起因していると結論づけるに至るものである。

Author Contributions

この原稿は、MSNA結合fMRIの技術に関する著者らの共同研究のレビューである。

Funding

この研究は、オーストラリア国立保健医療研究評議会（GTN1007557, GTN1100038, GTN1100042）からの助成金により行われた。

Conflict of Interest

著者は、この研究が利益相反の可能性として解釈できる商業または金銭関係のない状態で行われたと表明している。

謝辞

ここで報告したデータの取得と分析に、Cheree James博士、Rania Fatouleh博士、Linda Lundblad博士、Sophie Kobuch博士の貢献に感謝します

Allen, A. M, Moeller, I., Jenkins, T. A., Zhuo, J., Aldred, G. P., Chai, S. Y., et al.（1998）。神経系におけるアンジオテンシン受容体。脳研究会(Brain Res. Bull) 47, 17-28.

Google Scholar

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