2020 年度研究助成報告書

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視床下部が呼吸調節機構において果たす役割

連続して 20 分間，吸息神経活動を計測し，解析した。

─呼吸困難感知覚機序解明に向けた検討─

呼吸数とし，切断前の分時呼吸数は計測開始後 15 〜 20

各標本の 1 分間あたりの吸息神経のバースト数を分時分までの 1 分間あたりのバースト数で，切断後の分時呼吸数は計測開始後 25 〜 30 分までの 1 分間あたりのバー

1）1）

福士勇人（PT） ，岡田泰昌（MD）スト数で，それぞれカウントした。
視床下部切断前，および視床下部切断後の分時呼吸数1）

独立行政法人国立病院機構村山医療センター臨床研を平均値±標準偏差で表し，両群の分時呼吸数の比較に究部は対応のある t 検定を用いた。有意水準は 5％とした。

キーワード：呼吸困難感，視床下部，呼吸調節結

はじめに床下部切断後の分時呼吸数は 2.2 ± 1.2 回 / 分であり，

果
視床下部切断前の分時呼吸数は 3.1 ± 1.2 回 / 分，視慢性閉塞性肺疾患などの呼吸器疾患に罹患した患者
は，労作時に体内酸素レベルが低下し，呼吸困難感を感視床下部切断後の分時呼吸数は，切断前よりも有意に少なくなっていた（p = 0.01）。

じることが少なくないが，低酸素状態における呼吸困難感の知覚機序は未だ解明されていない。従来，低酸素呼考

察

吸応答の機序は，下部脳幹内にある呼吸ニューロンを中末梢からの入力のない摘出視床下部−脳幹−脊髄標本心に考えられてきたが 1），近年，低酸素換気応答には下を用いた実験において，視床下部切断は，標本の分時呼部脳幹だけでなく，より高位の大脳および間脳も重要な吸数を減少させていた。このことは，視床下部が呼吸‒役割を果たしていることが明らかにされつつある 2 4）。

増強性の役割を担っていることを示唆する。Fink らは，しかし，呼吸調節機構を背景とした呼吸困難感の知覚機覚醒したネコを用いた実験で，視床下部を含む間脳を切序への視床下部の関与については，現時点では，ほとん除すると呼吸量が減少することを報告しているがど解明されていない。

回の実験結果はこの報告に合致している。

6），今

そこで，本研究では，呼吸困難感の知覚機序解明のた

これまで，電気生理学的なアプローチや神経薬理学的めの基礎的検討として，末梢からの入力のない新生ラッなアプローチから，視床下部の中でも paraventricular

トの摘出視床下部−脳幹−脊髄標本を用いた in vitro 実

nucleus，perifornical area，dorsomedial hypothalamus

験を行い，呼吸調節機構における視床下部の役割を検証などの領域が，低酸素換気応答や高二酸化炭素換気応答した。

をはじめとする呼吸調節に関与していることが報告されている

7‒11）。今回の実験からは，視床下部のどの領域が呼吸神経出力の調節に貢献しているかを特定できな対象および方法
本研究は村山医療センター動物実験委員会の承認を受かったが，今後は，より詳細な領域の同定が必要になると考えられる。

けて実施した。
実験には，新生 Wistar ラット（P0-1）から作製した摘出視床下部−脳幹−脊髄標本を用いた（n=10）。まず，深麻酔下で新生ラットから視床下部，脳幹および脊結論

視床下部は，呼吸出力を増強させる役割を担っている。

髄を一塊として取り出し，摘出視床下部−脳幹−脊髄標本を作製し，計測チェンバーに入れ，酸素 95% −二文

酸化炭素 5% で平衡させた人工脳脊髄液（塩化ナトリウ

1）Neubauer JA, Melton JE, et al.: Modulation of respiration
during brain hypoxia. J Appl Physiol (1985). 1990; 68:441‒451.
2）Fukushi I, Takeda K, et al.: Effects of arundic acid, anastrocytic modulator, on the cerebral and respiratory
functions in severe hypoxia. Respir Physiol Neurobiol.
2016; 226: 24‒29.
3）Fukushi I, Takeda K, et al.: Blockade of astrocytic activation delays the occurrence of severe hypoxia-induced
seizure and respiratory arrest in mice. J Comp Neurol.
2020; 528: 1257‒1264.
4）Fukushi I, Yokota S, et al.: The role of the hypothalamus
in modulation of respiration. Respir Physiol Neurobiol.
2019; 265: 172‒179.
5）Suzue T: Respiratory rhythm generation in the in vitro

ム 124 mM，塩化カリウム 5.0 mM，リン酸二酸化カリ
ウム 1.2 mM，塩化カルシウム 2.4 mM，塩化マグネシ
ウム 1.3 mM，炭酸水素ナトリウム 26 mM，グルコース
30 mM，pH 7.4，26 〜 27 ℃）で灌流して生存性を維持しつつ，横隔神経に連なる第 4 頸髄前根より吸息性神経5）出力を記録した（Suzue, 1984） 。
標本をチャンバー内に入れ，酸素 95% −二酸化炭素
5% で平衡させた人工脳脊髄液（normal 液）で 20 分間灌流した後，計測を開始し，20 分間，吸息神経活動を計測した。その後，標本をチャンバー内に固定したまま，視床下部をスプリングシザースで切り落とし，切断後も献22020 年度研究助成報告書

brain stem-spinal cord preparation of the neonatal rat. J
Physiol. 1984; 354: 173‒183.
6）Fink BR, Katz R, et al.: Suprapontine mechanisms inregulation of respiration. Am J Physiol. 1962; 202: 217‒220.
7）Reddy MK, Patel KP, et al.: Diﬀerential role of the paraventricular nucleus of the hypothalamus in modulating
the sympathoexcitatory component of peripheral andcentral chemoreﬂexes. Am J Physiol Regul Integr Comp
Physiol. 2005; 289: R789‒R797.
8）King TL, Ruyle BC, et al.: Catecholaminergic neurons
projecting to the paraventricular nucleus of the hypothalamus are essential for cardiorespiratory adjustments tohypoxia. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2015;
309: R721‒R731.
9）Fortuna MG, Stornetta RL, et al.: Activation of theretrotrapezoid nucleus by posterior hypothalamic stimulation. J Physiol. 2009; 587: 5121‒5138.
10）Iigaya K, Horiuchi J, et al.: Blockade of orexin receptors
with Almorexant reduces cardiorespiratory responses
evoked from the hypothalamus but not baro- or chemoreceptor reflex responses. Am J Physiol Regul Integr
Comp Physiol. 2012; 303: R1011‒R1022.
11）Dampney RA: Central mechanisms regulating coordinated cardiovascular and respiratory function during
stress and arousal. Am J Physiol Regul Integr CompPhysiol. 2015; 309: R429‒R443.

発表実績【書籍等出版物】
1）Okada Y, Yokota S, Fukushi I: Anatomy and Physiologyof Respiratory Control System: How Are Respiratory
Controlling Cells Communicating in the Brain? In:Yamaguchi K (Ed): Structure-Function Relationships inVarious Respiratory Systems. Springer, Boston, MA,2020, pp. 3‒22.
【原著論文】
1）Onimaru H, Yazawa I, Takeda K, Fukushi I, Okada
Y: Calcium Imaging Analysis of Cellular Responses toHypercapnia and Hypoxia in the NTS of Newborn Rat
Brainstem Preparation. Frontiers in Physiology. 2021; 12:645904.
2）Fukushi I, Nakamura M, Kuwana S: Eﬀects of wearing
facemasks on the sensation of exertional dyspnea andexercise capacity in healthy subjects. PLoS One. 2021; 16:e0258104.

3）Fukushi I, Takeda K, Pokorski M, Kono Y, Yoshizawa
M, Hasebe Y, Nakao A, Mori Y, Onimaru H, Okada Y:
Activation of Astrocytes in the Persistence of Posthypoxic Respiratory Augmentation. Front Physiol. 2021;
12: 757731.
【総説】
1）Fukushi I, Pokorski M, Okada Y: Mechanisms underlying
the sensation of dyspnea. Respiratory Investigation. 2021;
59: 66‒80.
【学会発表】
1）Fukushi I, Kono Y, Takeda K, Yokota S, Onimaru H,Pokorski M, Okada Y: Astrocytes play an active role inpersistence of respiratory augmentation in the recovery
phase after hypoxic exposure. Experimental Biology 2020
Meeting, April 2020.
2）Okada Y, Yoshizawa M, Fukushi I, Takeda K, Kono
Y, Hasebe Y, Koizumi K, Toda T: Role of Microglia in
Ventilatory and Blood Pressure Responses to AcuteHypoxia. Experimental Biology 2020 Meeting, April 2020.
3）Fukushi I, Takeda K, Pokorski M, Yazawa I, Okazaki
S, Kono Y, Yoshizawa M, Yokota S, Onimaru H, Okada
Y: Astrocytic activation is necessary for post-hypoxic
persistent respiratory augmentation. The 43rd Annual
Meeting of the Japan Neuroscience Society, July 2020.
4）Onimaru H, Yazawa I, Fukushi I, Takeda K, Okada
Y: Calcium imaging analysis of cellular responses tohypercapnia and hypoxia in the NTS of newborn rat
brainstem preparation. The 43rd Annual Meeting of theJapan Neuroscience Society, July 2020.
5）Fukushi I, Yokota S, Takeda K, Terada J, Okada Y:Suppression of hypercapnic ventilatory response bysuvorexant (Belsomra (R)). The 60th Annual Meeting of
the Japanese Respiratory Society, September 2020.
6）福士勇人，武田湖太郎，Mieczyslaw Pokorski，横田茂文，
岡田泰昌：アストロサイトは低酸素負荷後の呼吸増強を持続させる．Symposium：呼吸中枢の解剖と生理：呼吸のリズム形成と低酸素応答機構研究の新展開．第 126 回日本解剖学会総会・全国学術集会・第 98 回日本生理学会合同大会．2021 年 3 月．Web 開催．
7）Fukushi I, Takeda K, Pokorski M, Kono Y, Yoshizawa
M, Hasebe Y, Nakao A, Mori Y, Onimaru H, Okada
Y: Astrocytes mediate the post-hypoxic persistentrespiratory augmentation. Experimental Biology 2021
Meeting, April 2021.