日周リズムを刻む時間脳機能の解明 －世界の受け止め方と記憶の相対性を支える仕組み－

日周リズムを刻む時間脳機能の解明－世界の受け止め方と記憶の相対性を支える仕組み－

2025年11月11日 10:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇生命科学研究科　教授　松井広
生命科学研究科　助教　生驹叶子

【発表のポイント】

脳の回路応答が一日の中で変化することを、光遗伝学^（注１）を用いたラットの大脳皮质の神経刺激実験により明らかにしました。
覚醒?睡眠圧に関わる神経调节物质アデノシン^（注２）が、夜行性^（注３）ラットの日の出时に神経活动を抑制していることを薬理学的に示しました。
记忆や学习に関わる长期的増强现象（尝罢笔）^（注４）は、日の出前には诱导可能で、同じ刺激を日没时に与えても可塑性^（注５）は生じませんでした。
昼行性のヒトでは时间帯が异なると考えられますが、脳内环境の日周リズムを理解することで、时间帯に応じた学习、トレーニング、リハビリ、脳刺激の最适化が期待されます。

【概要】

私たちは、同じ刺激を受けても、脳の状态しだいで异なる体験として捉えることがあります。

东北大学大学院生命科学研究科の道念佑树大学院生、生驹叶子助教、松井広教授（大学院医学系研究科兼任）らは、ラットを用いて、1日の时间帯による脳内での神経信号応答の変化を世界で初めて直接観测しました。ラットは夜行性动物であり、夜间での行动が盛んです。観测により、夜が明ける顷には、眠気に関わる神経调节物质アデノシン浓度が脳内に蓄积し、神経活动が抑制されることが明らかになりました。一方で、学习や记忆に関わる神経信号の长期的増强现象（尝罢笔）は、日の出前の时间帯にのみ诱导可能でした。この结果は、脳の兴奋性や可塑性が日周リズム^（^注６）によって制御されていることを示しています。昼行性であるヒトでは最适な时间帯が异なると考えられますが、大脳皮质における基本的な神経回路の动作や记忆の成立しやすさが、脳内环境の时间的変动の影响を受けている可能性を示しています。脳内环境がゆるやかな日周リズムを刻む理由を理解することで、时间帯に応じた学习、トレーニング、リハビリ、脳刺激の最适化が期待されます。

本成果は2025年10月31日付でNeuroscience Research誌に掲載されました。

図1. 脳神経信号の日周リズム。夜行性のラットは、夜間に活発に行動し、明け方に向かって疲労が蓄積し、日の出とともに睡眠が増えることが知られています。本研究では、ラットの大脳皮質の神経細胞を光遺伝学的に特異的刺激し、近傍に設置した電極から神経応答信号（局所電位変動：LFP）を記録しました。その信号強度を3日間にわたり解析した結果、日の出前（暁どき）に信号が小さく、日没前（黄昏どき）に信号が大きくなることが分かりました。このことから、脳内の神経信号には約24時間周期のリズム（日周リズム）が存在することが示されました。

【用语解説】

注1. 光遺伝学
光によって神経の活动をオン?オフできる技术であり、脳の信号処理や可塑性を解明する现代神経科学の主要な手法の一つである。この方法では、まず光に反応して细胞の活动を高めたり抑えたりするタンパク质を、特定の细胞に遗伝子操作で発现させる。次に、その细胞を含む组织に光を照射すると、光感受性タンパク质を持つ细胞だけが反応する。このようにして、组织全体の中から遗伝子的に区别された特定の细胞群のみを光で刺激できることから、「光（オプト）」＋「遗伝学（ジェネティクス）」と呼ばれている。本研究では、ラットの脳の神経细胞にチャネルロドプシン2（颁丑搁2）という光感受性タンパク质を発现させた。これにより、脳内に光を照射することで神経细胞のみを特异的に兴奋させることが可能になった。

注2. アデノシン
脳がどれだけ活動したかに応じて蓄積し、眠気を誘うことで休息を促す「脳の疲労信号」として働く物質である。脳の神経活動が活発になると、神経細胞やグリア細胞からATP（アデノシン三リン酸）やアデノシンが細胞外へ放出される。放出されたATPは細胞外で分解されてアデノシンに変わるため、細胞外のアデノシン濃度が徐々に高まる。このアデノシンが、神経細胞に存在するA1受容体などに結合すると、神経活動が抑制的に調整される。その結果、ヒトでは日中の活動が続くほど眠気が強まり、睡眠や休息によってアデノシン濃度が低下すると再び覚醒しやすくなると考えられている。つまり、アデノシンは「脳の疲労メーター」や「睡眠圧（sleep pressure）」を示す指標のような役割を果たしている。一方、夜行性のラットでは夜間に活動が活発化するため、明け方に向けてアデノシンが蓄積すると考えられる。本研究では、このアデノシンの働きが、ラットの日の出前（Sunrise）に神経活動を抑制する要因になっていることを薬理学的に実証した。

注3. 夜行性
夜间に活动し昼间に休息する动物の生活リズムであり、ラットもこの性质を持つため、本研究では日周リズムの影响を観察するモデルとして用いられた。夜行性动物は、昼间は休息や睡眠をとり、夜になると採食?探索?社会的行动などを行う。こうした行动パターンは、体内时计（概日リズム）と光环境に応じた生理的制御によって调整されている。例えば、ラットやマウスなど多くのげっ歯类は夜行性であり、夜间に行动が最も活発になり、明け方にかけて次第に活动が低下して休息状态に入ることが知られている。

注4. 長期的増強現象（LTP）
神経回路が繰り返しの刺激によって强くなる「学习と记忆の神経基盘」のことを指す。神経细胞を高频度で刺激すると、神経细胞同士の信号の受け渡しの场であるシナプスの伝达効率が高まり、その状态が长时间持続する。この変化によって、同じ刺激に対してもより强い神経応答が得られるようになる。尝罢笔は、脳が経験を学习や记忆として刻み込む仕组みの一つと考えられている。本研究では、この可塑性（神経の変化しやすさ）が时间帯によって変化することが明らかになった。

注5．可塑性
神経回路が経験や活动に応じて変化し、机能を调整する性质のことを指す。「可塑（辫濒补蝉迟颈肠）」という言叶は、形を変えられる粘土のような性质を意味し、脳が固定された构造ではなく、使われ方や刺激の种类によって神経のつながり方や强さを変えることを表している。脳の可塑性には、短期的な変化（神経活动の一时的な强弱）と、长期的な変化（シナプスの构造や机能の持続的な変化）がある。后者は学习や记忆の形成に深く関わっており、长期的増强现象（尝罢笔）などがその代表的な例である。本研究では、この神経回路の可塑性の起きやすさそのものが、一日の时间帯によって変动することが明らかになった。これは、脳が「时间」という要素に応じて柔软に机能を変えることを示している。

注6．日周リズム
およそ24时间周期で繰り返される生体のリズムのことを指す。このリズムは、体温、ホルモン分泌、心拍、血圧、睡眠?覚醒のサイクルなど、多くの生理现象に现れる。日周リズムの中には、体内时计（生物时计）によって自律的に刻まれるリズムと、昼夜の明るさや温度などの外的环境に同调して生じるリズムの両方が含まれる。体内时计によるリズムを特に「概日（サーカディアン）リズム」と呼び、外界の光环境に合わせて调整されるリズムと区别される。本研究では、この日周リズムによる脳内环境の変化が、神経回路の応答や可塑性に影响することが明らかになった。

【论文情报】

タイトル：Diurnal modulation of optogenetically evoked neural signals
著者：Yuki Donen, Yoko Ikoma*, Ko Matsui*
筆頭著者：東北大学大学院生命科学研究科超回路脳機能分野　大学院生　道念佑樹
*責任著者：東北大学大学院生命科学研究科超回路脳機能分野　助教　生駒葉子　教授　松井広
掲載誌：Neuroscience Research 221: 104981.
顿翱滨：

详细（プレスリリース本文）