1 神経学の神経原理 および精神障害
フランク・I・タラジとマーク・J・カウフマン
まとめ
脳の神経伝達物質とその神経回路および経路の神経生物学および薬理学の理解における最近の進歩は目覚ましく、神経疾患および精神疾患に関する詳細な前臨床研究の基礎となっています。神経伝達物質受容体のほとんどはクローン化されており、高度な神経化学的手法を使用してその解剖学的局在と分布が明らかにされています。新しい発見は、脳障害の神経病態生理学および神経遺伝学の臨床研究を大いに刺激しました。神経画像技術の高度な開発は、神経疾患および精神疾患における神経要素の発達異常または機能不全の複雑さについての革命的な洞察をもたらし、これらの疾患の治療を改善するための新規の神経向精神薬の合理的な設計に役立ってきました。
キーワード: 脳の経路。ドーパミン;放射断層撮影法。磁気共鳴。神経画像検査;ノルアドレナリン;セロトニン。
1. はじめに
脳の神経細胞（ニューロン）は、シナプス終末から放出される化学物質（神経伝達物質）を介して相互に通信しています。これらの神経伝達物質は、放出されると隣接するニューロンを標的にし、影響を受けたニューロンの細胞活動と機能を変化させます。ニューロンと神経伝達物質は、特殊な回路とシグナル伝達経路に組織化できます。神経回路は、1 つのシナプスと 1 つの神経伝達物質という単純なものもあれば、さまざまなシナプスや複数の神経伝達物質が関与し、さまざまな脳領域にまたがる非常に複雑なものもあります。前臨床および臨床証拠は、脳ニューロンの異常な発達と脳回路の機能不全が、さまざまな神経障害および精神障害の発症に大きく寄与していることを強く示唆しています。その後、これらの疾患の治療のために開発された薬剤は、神経伝達を回復し、ニューロン間のコミュニケーションを正常化する傾向があります。組織化学的およびオートラジオグラフィー技術の進歩により、詳細な特性が向上しました。
さまざまな神経伝達物質受容体の解剖学的局在の解明、および実験動物および死後のヒト組織におけるそれらのレベルの定量化。さらに、高度な画像技術は、特定の行動様式に関連する特定の脳領域を特定するのに役立ち、健康な被験者や病気の患者の神経伝達物質受容体の直接視覚化を可能にしました。この章では、主要な脳神経伝達物質と脳経路のいくつかを紹介するとともに、神経疾患や精神疾患の神経原理についての知識を大いに深めた神経化学技術や神経画像技術も紹介します。
2. 脳の神経伝達物質
3 つの主要な脳神経伝達物質系、ドーパミン (DA)、ノルエピネフリン (NE)、およびセロトニンは、次の章で説明する神経障害および精神障害の病態生理学、神経病理学、および薬物療法に密接に関与しています。
2.1.ドーパミン
長い間、DA はエピネフリンや NE などの他のカテコールアミンの生合成における中間分子と考えられていました。 1950 年代半ば、Arvid Carlsson と彼の同僚は、独立した神経伝達物質としての DA の顕著な生物学的役割を提案しました。これらの独創的な提案は、DA 研究の爆発的な進歩の原動力となりました。 DA システムの研究からは、注意欠陥多動性障害 (ADHD)、ハンチントン舞踏病、パーキンソン病、統合失調症、トゥレット症候群、その他のチック障害の病態生理学と治療におけるこれらのシステムの役割など、臨床的に関連するいくつかの貢献が明らかになりました。 (1)。
2.1.1. DA経路
哺乳類の中枢神経系 (CNS) の DA ニューロンは、4 つの主要なサブシステムに編成されます。 黒質線条体 システム: A とも呼ばれる黒質緻密部からニューロンが投影されます。9 ニューロンから尾状被殻 (CPUu) まで。このシステムは DA の脳全体の 70% を占め、その変性はパーキンソン病の病態生理学に大きく貢献します。 (b) 中脳辺縁系 システム: 腹側被蓋野に由来し、A とも呼ばれます10 または 側坐核、外側中隔核、扁桃体、海馬、嗅内皮質などの大脳辺縁系のさまざまな構成要素に投影されます。 (c) 中間皮質 システム：腹側被蓋野の細胞体から発生し、大脳皮質、特に近心前頭野に投射します。 (d) チューブリン漏斗 神経内分泌系: ニューロンは視床下部の弓状核およびその他の核で発生し、下視床下部の正中隆起で終わります。DA は下垂体前葉で調節効果を発揮し、プロラクチン阻害因子として機能します。 (2)。
2.1.2. DAの合成と代謝
DA は以下から合成されます。 L-チロシン、これはに変換されます L-3,4-ジヒドロキシフェニルアラニン (L-DOPA) 酵素チロシンヒドロキシによって触媒される反応における
神経原理 5
図1 ドーパミン (DA) シナプスの概略構成。 DA は以下から合成されます。 L-チロシン、これはに変換されます L-3,4-ジヒドロキシフェニルアラニン (L-DOPA) チロシンヒドロキシラーゼによる。 DA は、以下の脱炭酸反応によって生成されます。 L-DOPAは膜で囲まれたシナプス前小胞に蓄えられ、その後膜融合（エキソサイトーシス）によるカルシウムの存在下での脱分極によって放出されます。 DAはそのDを刺激します1-likeとD2– のようなポストシンアプティック受容体。受容体は、Gタンパク質のさまざまなサブタイプと共役エフェクター酵素を活性化してセカンドメッセンジャー分子を生成し、細胞の機能活性を変化させます。 DA は、能動輸送によってシナプス前末端に戻されることによって不活化されるか、代謝されて 3,4-ジヒドロキシフェニル酢酸とホモバニリン酸（見る 詳細についてはテキストを参照してください)。示されているように、いくつかの薬剤は DA の合成、貯蔵、再取り込み、分解をブロックする能力を持っています。
分子状酸素とテトラヒドロビオプテリン（BH）を用いたレーザー（TH）4) を補因子として (図 1) (3)。 DAはから形成されます L-酵素によって触媒される化学反応における側鎖のカルボキシル基の除去によるドーパ L-アミノ酸脱炭酸酵素 (AADC)。 TH は、DA の全体的な形成速度を制御する律速酵素です。プロテインキナーゼによるTHのリン酸化により酵素が活性化され、その後DAの合成が促進されます。 THの阻害剤、例えば ある-メチル-p-チロシン (AMPT)、内因性 DA のレベルを枯渇させます。対照的に、AADC の阻害剤、最も顕著なのは、
ある-メチル-ドーパ-ヒドラジン (カルビドーパ) および 3-ヒドロキシベンジル-ヒドラジン (NSD 1015) は、 L-脳内のドーパ（図1） (3)。
合成後、DA は膜で囲まれたシナプス前小胞に蓄えられ、カルシウム (Ca ) の大量流入によって引き起こされる小胞エキソサイトーシスのメカニズムを通じて放出されます。2+）神経終末へ。ただし、非小胞性 Ca2+ 場合によっては、独立した DA のリリースが発生する可能性があります。 DA がシナプス間隙に放出されると、複数の経路で不活性化されます。これは、細胞膜DAトランスポーターを介してシナプス前終末に戻る能動輸送によって不活性化されます（図1）。さらに、過剰なシナプス DA は、次の 2 つの酵素が関与する一連の化学分解反応を受けます。ザ-メチルトランスフェラーゼ (COMT) およびモノアミンオキシダーゼ (MAO)。 DA代謝の約90%はMAOによる酸化的脱アミノ化から始まります。この反応の生成物である 3,4-ジヒドロキシ フェニルアセトアルデヒド (DHPA) は、アルデヒド デヒドロゲナーゼによって急速に 3,4-ジヒドロキシ フェニル酢酸 (DOPAC) に酸化されます。 DOPAC の大部分は、 ザ-メチル化されてホモバニリン酸 (HVA) が得られます。 DOPAC と HVA は DA の最も重要な代謝産物であり、脳の外から血流に輸送され、最終的には排泄されます。 DAの残りの10％はCOMTによって3-メトキシチラミン（3-MT）に代謝され、その後MAOとアルデヒドデヒドロゲナーゼによってHVAに変換されます（図1）。 (3)。
他の神経伝達物質シナプスの代表として DA シナプスを選択し、このシナプスの概略構成を図 1 に示します。
2.1.3. DA 受容体のサブタイプ
DA 受容体は、7 つの比較的疎水性の膜貫通 (TMS) セグメントと、5 番目と 6 番目の膜貫通セグメントの間に位置する機能的に重要な 3 番目の細胞質内ループを持つことを特徴とする大型タンパク質のスーパーファミリーに属します。このループは、神経機能の生理学的調節につながるいくつかの膜または細胞質エフェクター分子と相互作用する G タンパク質に結合します。DA 受容体は当初、2 つの主要なタイプに分化されました。1 そしてD2。 D1 そしてD2受容体は当初、刺激と阻害を媒介するものとして特徴づけられました。
それぞれ、環状アデノシン一リン酸（cAMP）生成の影響。分子生物学の技術的進歩により、密接に関連しているが存在量は少ない 3 つの新規な DA 受容体サブタイプの発見が大幅に促進されました。それらの密接な構造相同性と cAMP 産生に対する反対の効果に基づいて、5 つの DA 受容体は D に分類されます。1-みたいな(D1、D5）とD2-みたいな(D2、D3、D4) 受容体ファミリー (1,2)。
D2 受容体は、2 番目に豊富な DA 受容体サブタイプですが、最初にクローン化されました。人間D2 遺伝子は染色体 11 に局在しています。ヒトとラット D2 受容体スプライス変異体は選択的スプライシングによって生成され、細胞質の 3 番目のループ内の 29 個のアミノ酸の有無によって異なります。これらのバリアントは次のように呼ばれます。 長さ 対 短い アイソフォーム (D2L 対D2S）。両方のアイソフォームは同様の薬理学的プロファイルを持ち、両方ともアデニリルシクラーゼ活性を阻害します。 DのmRNA2 受容体は大脳基底核、側坐核、嗅結節に局在しており、黒質、腹側靱帯精神野に続いています。 D2 受容体はいくつかのシグナル伝達機構に関連しています。 cAMP産生の阻害に加えて、D2 受容体刺激はホスホイノシチドサイクルを阻害し、カリウム（K）を活性化します。+）チャネルを形成し、アラキドン酸の放出を促進します。
D3 レセプターが最初です。クローン化される DA 受容体。人間D3 遺伝子は染色体 3 に局在しており、D の遺伝子と同様に2 受容体、D3 mRNA は、より長いスプライス型とより短いスプライス型でも発生します。 DのmRNA3 受容体は、カジェハ島、嗅結節、NAc の殻などの大脳辺縁系領域に局在しています。また、一部の中脳 DA ニューロンや小脳にもわずかに見られます。 Dの機能ステータス3 受容体は、トランスフェクトされた細胞調製物におけるエフェクター機構と一貫して関連付けられていないため、依然として不確実である。
D4 受容体はDの3番目のメンバーです2様受容体ファミリー。人間D4 遺伝子は染色体 11 に局在しています。脳では、D 遺伝子の mRNA4 受容体は海馬と前頭皮質で発現します。かなりのレベルの D4 レセプタータンパク質はあるが、その mRNA は低レベルでしかないが、線条体に存在することが報告されており、D の一部が存在することを示唆している。4 受容体は、線条体を神経支配する皮質線条体突起の末端に存在します。人間D4 受容体は、機能的に重要な第 3 細胞質ループ内の小さな 48 アミノ酸配列の繰り返し数が異なる、さまざまな多型変異体に転写される可能性があります。繰り返しは 2 ～ 11 回ありますが、2、4、または 7 回が最も一般的です (D4.2、D4.4、 D4.7）。 Dの刺激4 受容体は、アデニリルシクラーゼ活性を阻害し、トランスフェクトされた細胞におけるアラキドン酸の放出を活性化することができます。
2.2.ノルアドレナリン
NE は当初、末梢交感神経における神経伝達物質として機能すると提案されました。その後、NE は中枢神経伝達物質として同定されました。
特殊な皮質実行機能を持つ哺乳類の脳。 NE 神経伝達の障害は、うつ病、ADHD、統合失調症、その他の注意力や認知障害と臨床的に関連しています。 (3)。
2.2.1.北東経路
中央NEシステムの起源の核は橋と延髄にあります (4)。これらの核は 3 つの主要なグループで構成されます。
1. 青斑核（LC）複合体: これは最も顕著な NE 核です。 LCの軸索は、大脳皮質、海馬、扁桃体、中隔、視床、視床下部のいくつかの領域を含む、いくつかの終脳および間脳領域に投射します。
2. 側被蓋系: このシステムの軸索は尾側から脊髄に突き出し、胸髄と上部腰髄の中間外側細胞柱で終わります。このシステムの吻側の突起は、視床下部および他の間脳構造で終わる腹側NE束を構成します。そして
3. 背側延髄群: このシステムの線維は、延髄の孤束核、背側迷走神経複合体、および脳神経の他の一次運動核および内臓核に突き出ています。副腎髄質の交感神経節とクロム親和性細胞は末梢NE含有ニューロンの主要集団を表す (4)。
2.2.2. NEの合成と代謝
NEは、ドーパミンによって触媒される反応でDAから合成されます b-ヒドロキシラーゼ (DbH) 銅、酸素、アスコルビン酸を補因子として使用します。 NE と DA は類似した同化経路を共有しているため、TH は NE の全体的な形成速度を制御する律速酵素でもあります。 NE の合成は、TH 阻害剤または D によってブロックされる可能性があります。bFLA63などのH阻害剤 (3)。
NEは膜に囲まれたシナプス前小胞に蓄えられ、Caによってシナプス間隙に放出されます。2+-媒介エキソサイトーシス。これは、NEトランスポーターを介したシナプス前終末への能動的な再取り込みまたは分解によって不活化されます。 NE の劣化は、脱アミノ化または ザ-メチル化。 MAO は、NE の 3,4-ジヒドロキシフェニルグリコールアルデヒド (DHPGA) への分解を触媒し、これはさらに 2 つの中間体 3,4-ジヒドロキシフェニルグリコール (DHPG) または 3,4-ジヒドロキシマンデル酸 (DHMA) に代謝されます。 DHPG と DHMA はさらに ザ-メチル化されて、それぞれ 3-メトキシ-4-ヒドロキシフェニルグリコール (MHPG) とバニリルマンデル酸になります。 NE は COMT によって代謝されてノルメタネフィンが得られ、その後脱アミノ化されて 3-メトキシ-4-ヒドロキシフェニルグリコールアルデヒド (MHPGA) になります。 MHPGA はアルデヒド脱水素酵素によってさらに分解され、主要代謝産物 MHPG になります。 (3)。
2.2.3. NE 受容体のサブタイプ
NE 受容体タンパク質は、7 つの比較的疎水性の TMS セグメントと、G タンパク質に結合する機能的に重要な 3 番目の細胞質内ループを持つことも特徴です。 NE 受容体は次のように細分されます。 ある-アドレナリン作動性 (ある1 そして ある2） そして b-アドレナリン作動性 (b1、 b2、 そして b3) サブファミリー。それでも b-アドレナリン受容体のサブタイプは、脳のさまざまな領域でさまざまなレベルで発現されますが、それらは明らかにいくつかの神経障害および精神障害の治療において顕著な役割を果たしていないため、ここでは強調しません (5,6)。
2.2.3.1. ある1 R受容体
これらの受容体は 2 つのサブタイプに分類されます。 ある1A そして ある1B。 ある1A 受容体は海馬、延髄橋、脊髄で高度に発現していますが、 ある1B 受容体は主に大脳皮質、視床、視床下部、小脳で検出されます。どちらの受容体も線条体に均等に分布しています。両方 ある1A そして ある1B 受容体の活性化により、セカンドメッセンジャーであるイノシトール1,4,5-三リン酸とジアシルグリセロールが生成され、Caが活性化されます。2+ チャンネル。
2.2.3.2. ある2 R受容体
ある2 受容体ファミリーは元々 2 つのサブタイプ (ある2A そして ある2B）。その後、追加メンバーが2人（ある2C そして ある2D）が家族に加わりました。オートラジオグラフィーと 現場で 研究はそれを示しました ある2A 受容体は、扁桃体 – 海馬領域、扁桃体の中心および側底核、視床の背外側核でかなりのレベルで発現されます。の ある2A 受容体タンパク質と mRNA は青斑核で高度に発現しており、この受容体サブタイプが NE ニューロンにおける体樹状突起自己受容体として機能することを示しています。他の ある2 受付 トルは歯状回、網状黒質、海馬 CA に見られます。1 地域。 ある2 受容体はアデニリルシクラーゼの活性を低下させますが、 ある2 自動 受容体はKを増加させることによってNEの放出を阻害します+ NEニューロンを過分極させるコンダクタンス (5)。
2.3.セロトニン
セロトニンまたは 5-ヒドロキシトリプタミン (5-HT) は、最初は腸粘膜のクロム親和性細胞から単離されました。哺乳類の中枢神経系には、全身の 5-HT の 1 ～ 2% しか存在しません。 5-HT の合成と分解における生化学的異常は、双極性障害、うつ病、強迫性障害、統合失調症などのさまざまな形態の精神疾患に関連していると考えられています。 (3)。
2.3.1. 5-HT 経路
5-HT を含むニューロンには、B1 ～ B9 として知られる 9 つの主要なグループがあります。これらのグループは主に下部脳幹の縫線核および網様領域に局在しています。脳幹の 5-HT ニューロンは、尾側系と吻側系に分けられます。尾系は B1 ～ B4 グループで構成され、延髄および尾橋の正中および傍正中グループから脊髄に突き出ています。吻側 5-HT システムは B5 ～ B9 細胞グループで構成され、これらは吻側橋および中脳の縫線核、尾側線状核、口橋核、および脳上領域と関連しています。 (7)。
吻側 5-HT システムは、腹側経路と背側経路と呼ばれる 2 つの異なる上行突起を生じます。腹側上行路はグループ B6 ～ B8 細胞に由来し、大脳基底核、大脳辺縁系、および皮質を神経支配します。腹側経路の大部分は内側前脳束に入り、内側手綱核、視床、視床下部を神経支配します。他の線維は、背側線条体および腹側線条体、扁桃体、海馬、中隔核、嗅覚皮質、および大脳皮質のすべての領域を神経支配します。背側上行路は細胞群 B7 および B8 に由来し、中脳灰白質および下脳および上脳を神経支配します。
丘 (7)。さらに 2 つの 5-HT システムが脳内で確認されています。 1 つのシステムは小脳に投射し、小脳皮質および深部小脳核で終わり、もう 1 つのシステムは青斑核、背側被蓋核、孤束核、網様体およびいくつかの脳神経核を神経支配します。
2.3.2. 5-HTの合成と代謝
5-HT 合成の最初のステップは、トリプトファン ヒドロキシラーゼによって触媒される反応でアミノ酸トリプトファンをヒドロキシル化し、5-ヒドロキシトリプトファン (5-HTP) を生成することです。 (3)。次に、5-HTP は AADC によって 5-HT に変換されます。 5-HT の合成を制御する律速酵素であるトリプトファン ヒドロキシ レーザーは、分子状酸素と BH を必要とします。4 補因子。リン酸化、タンパク質分解、Ca によって活性化されます。2+ リン脂質。 5-HT が合成されると、小胞に蓄えられ、エキソサイトーシスによってシナプス間隙に放出されます。放出された 5-HT は、5-HT トランスポーターを介したシナプス前終末への能動的再取り込みによって不活性化できます。過剰なシナプス 5-HT はモノアミン オキシダーゼによる脱アミノ化を受けて 5-ヒドロキシ インドールアルデヒドを生成します。これは酵素アルデヒド デヒドロゲナーゼによって急速に酸化されて、5-HT の主要代謝産物である 5-ヒドロキシインドール酢酸を形成します。 5-ヒドロキシインド酢酸は、酸輸送システムによって脳から脳脊髄液に輸送されます。 (3)。
2.3.3. 5-HT 受容体
5-HT 受容体ファミリーは、多数のメンバーが含まれているため、DA および NE 受容体ファミリーよりも異質です。 (8)。 5-HT 受容体は現在次のように分類されています: 5-HT1 サブファミリー (サブタイプ A、B、D、E、および F を含む)、5-HT2 サブファミリー (タイプ A、B、および C を含む)、および別個の 5-HT3、5-HT4、5-HT5 (およびそのサブタイプ 5-HT5A および5-HT5B)、5-HT6、5-HT7 受容体。十分に特徴付けられていない「孤立した」5-HT がさらに存在します (8)。全体として、5-HT 受容体のサブタイプはおそらく 18 種類あります。 5-HTを除く3 他のすべての 5-HT 受容体サブタイプは、リガンド依存性チャネルである受容体に特徴的な 7 つの TMS セグメントを持ち、G タンパク質に結合し、複数のシグナル伝達機構を開始します。 5-HT1A、5-HT2A 依然として最も薬理学的および機能的に特徴付けられた 5-HT 受容体サブタイプ (8)。
2.3.3.1. 5-HT1A R受容体
ラットおよびヒト 5-HT1A 受容体は、7 つの TMS ドメインで 99% の配列相同性を示します。それらは、海馬、外側中隔、扁桃体、前頭葉および嗅内皮質に高密度で発現されます。 5-HT1A 受容体は正中および背側縫線核にも見出され、これらの受容体に対する体性樹状突起自己受容体の役割を示している。 5-HT1A 受容体刺激は cAMP 産生を阻害し、Ca を減少させます。2+ コンダクタンスとKの増加+ コンダクタンス。 5-HTの開発1A 選択的アゴニスト (8-OH-DPAT、イプサピロン) とアンタゴニスト (SDZ 216-525、WAY 100135) は、これらの受容体の行動的および生理学的機能を特徴付けるのに役立ちました。 5-HTの投与1A アゴニストは、過食、低体温、および抗不安薬様活性を予測する他の行動を誘発します。 5-HT1A アゴニストは、安静時振戦、筋肉の固縮、側頭部のウィービング、過剰な唾液分泌も引き起こす可能性があります。
休暇。最近の証拠は、5-HT が1A アゴニズムは統合失調症やその他の精神病性障害の治療改善に貢献します (9)。
2.3.3.2. 5-HT2A R受容体
5-HT2A 受容体は大脳皮質、股関節のさまざまな領域で高度に発現しています。 後馬、嗅核、大脳基底核の一部。前頭葉では、5-HT2A 受容体は、主要な 5-HT 受容体サブタイプです。これらの受容体は、皮質錐体ニューロン、縫線細胞体、および NAc ニューロンの神経興奮を媒介します。さらに、5-HT2A 受容体の活性化はホスホリパーゼ C を刺激し、ホスファチジルイノシトールの加水分解と細胞内 Ca の上昇を引き起こします。2+。アゴニスト（ある-メチル-セロトニン）とアンタゴニスト（ケタンセリン、リタンセリン、LY-53857）は、5-HT の点で最も選択的な薬剤の 1 つです。2A 受容体親和性。 5-HT2A 受容体は刺激または遮断する独自の制御機構を示します。 いずれかの 5-HT による繰り返し治療後に下方制御されるため、年齢が高くなります。2A アゴニストまたはアンタゴニスト。
3. 神経伝達物質の位置特定
と視覚化
いくつかの神経化学的手法が発見され、CNS におけるさまざまな神経伝達物質受容体の局在化と定量化、およびそれらの遺伝子発現を調べることに成功しています。次のセクションでは、これらの手法の中で最も一般的なもののいくつかについて説明します。
3.1.インビトロ受容体オートラジオグラフィー
オートラジオグラフィーは、さまざまな受容体および細胞成分を特定の放射性リガンドで標識することです。この方法では、クライオスタット内でスライスされ、ゼラチンでコーティングされたスライドにマウントされた凍結組織切片が使用されます。特定のインキュベート緩衝液中で適切な放射性リガンドとインキュベートした後、切片を洗浄して結合していない放射性リガンドを除去し、風乾し、放射性同位元素感受性フィルムに置くか液体写真乳剤に浸します。適切な露光時間の後、フィルムまたは乳剤が現像され、生成されたオートラジオグラムが画像分析のために処理されます。脳の関心領域の光学濃度は、通常、コンピュータによる画像解析システムを使用して決定されます。放射能の量は、組織切片に隣接して配置され、同様に曝露される標準的な事前校正済みの放射能量を使用して計算できます。標準物質の光学濃度から生成された標準曲線を使用して、放射性標識組織によって生成される光学濃度を定量化します。 (10,11)。
オートラジオグラフィー技術は、同じ実験動物から生成された隣接する脳切片内の複数の受容体を評価および比較するために異なる放射性リガンドを使用できるため、ホモジネート結合よりも有利です。この技術は、さまざまな向精神薬の受容体およびトランスポーターの標的を定義する場合や、選択された神経伝達物質の受容体およびトランスポーターの発現に対する外科的および化学的脳損傷の影響を研究するのに役立ちます。 (10,11)。
3.2. In Vivo 受容体オートラジオグラフィー
この方法では、選択した放射性リガンドを生きた動物に全身注射します。放射性リガンドは血管循環に入り、血液脳関門を通過し、目的の受容体に結合します。 (12)。次いで、動物を屠殺し、脳をスライスし、上述のように、放射性標識した脳切片をオートラジオグラフィーおよび画像分析のために処理する。ドーパミン受容体を含むいくつかの神経伝達物質受容体は、生体内技術を使用して標識することに成功している。さらに、この方法は、制御された実験条件下で伝達物質のレベルまたは受容体の占有率を測定する手段を提供します。技術的には単純ですが、この方法から得られる結果の分析は、in vitro オートラジオグラフィーの分析よりも複雑です。放射性リガンドの血中濃度、その代謝、生体内分布などのいくつかの要因を分析に考慮する必要があります。 (12)。
3.3.免疫細胞化学
免疫細胞化学 (ICC) は、光学顕微鏡または電子顕微鏡に適したタグで標識された特異的な抗原抗体反応を使用して、対象のタンパク質標的の位置と密度に関する情報を提供します。 (13)。フルオレセインとアルカリホスファターゼは光学顕微鏡検出に一般的に使用され、フェリチンと金コロイドは電子顕微鏡検出に使用されます。抗体には2種類あります。 1 つ目の「ポリクローナル抗体」は、選択した抗原物質を宿主 (ほとんどの場合ウサギ) に繰り返し注射することによって産生できます。ただし、これらの抗体は高度な選択性を欠いていることが多く、バッチごとに不均一になる可能性があります。 2 番目のタイプの「モノクローナル抗体」の生成により、これらの欠点のほとんどが克服されました。この方法では、特定の抗原に感作されたマウスの脾臓の細胞を腫瘍細胞と融合させて、ハイブリッド細胞または「ハイブリドーマ」を生成します。抗体産生細胞は単離、クローン化され、抗体の特性についてスクリーニングされます。生存可能で選択的な免疫反応性を持つ細胞のみが培地中で維持および増殖されます。 (14)。生成された抗体はタグで直接標識され、組織切片に適用されます。これらは、抗血清の形で非標識で組織に適用して抗原の位置を特定し、その後、一次抗体の免疫グロブリンに対して調製された標識二次抗体（蛍光標識ヤギ抗ウサギ免疫グロブリンなど）によって反応を視覚化することもできます。 G) (13)。
ICC は、神経伝達物質および神経ペプチド受容体タンパク質および関連する合成酵素の神経局在をマッピングする能力に加えて、神経伝達物質および神経ペプチド系に対する向精神薬の影響を分析することもできます。 ICC は、ニューロンのサブセット内または単一ニューロンの細胞内構造内で化学物質を局在化するために使用することもできます。
3.4. 現場で ハイブリダイゼーション
現場で ハイブリダイゼーション (ISH) は、酵素、イオン チャネル、受容体、ペプチドなどのニューロン機能に必須のタンパク質をコードする mRNA 分子の位置とレベルを検出する組織化学的手法です。 (15)。 ISHも使えます
局所的な mRNA 発現における向精神薬誘発性の変化を定量化します。神経細胞内の核酸の形態と完全性が損なわれないため、ノーザンブロットなどの他の RNA 検出方法に比べて利点があります。 (15)。
ISH 法では通常、固定された組織スライスが使用されます。まず、スライスした固定組織をゼラチンでコーティングしたスライドに載せます。次に、組織は脱水、脱脂、再水和されてから、標的核酸のプローブを含むハイブリダイゼーションバッファーで覆われます。プローブは、相補的 DNA (cDNA)、RNA、またはオリゴヌクレオチド プローブの 3 つのタイプのいずれかになります。 (16)。これらのプローブは、クローニング手順 (cDNA および RNA) によって生成されるか、自動 DNA 合成装置 (オリゴヌクレオチド) によって製造されます。異なる同位体で標識することができます (32P、 35S、 125I) または非放射性ラベル。標識されたプローブはハイブリダイズされ（通常は一晩）、組織は洗浄、脱水、乾燥されてから、事前に校正された標準と一緒に X 線フィルムに露光されます。ハイブリダイゼーションシグナルは、上で詳述したコンピューター画像解析装置を使用してオートラジオグラフィーで検査するか、切片を写真乳剤に浸漬し、露光、現像、染色した後に顕微鏡で評価します。 (15,16)。
4. 脳の回路と経路
神経回路と神経経路の複雑なマップに関する知識は、脳と神経系がどのように機能するかについての専門的な洞察を提供します。異なる脳領域間には回路と経路の大幅な収束と分岐があり、これにより神経情報の効率的な流れと、その情報の運動指令、感情的行動、認知機能への変換が確実に行われます。このセクションでは、脳の洗練された構造を例証する 3 つの機能回路の解剖学的構成を検討します。
4.1.大脳基底核-視床皮質回路
大脳基底核は、終脳、間脳、中脳にまたがる 5 つの相互接続された皮質下核で構成されています。これらの核には、尾状核（CPu）、淡蒼球（GP）、視床下核（STN）、黒質が含まれます。 パー 緻密体、黒質 パー 網状動物 (SNpr) (17,18)。中型有棘ニューロンは CPU の主要なニューロンであり、抑制性神経伝達物質が含まれています。 g-アミノ酪酸（GABA）。中型有棘ニューロンは、大脳皮質から入ってくる興奮性グルタミン酸作動性入力の大部分と、黒質からの大量のドーパミン作動性入力を受け取ります。 パー コンパクタ。唯一の線条体出力を構成するこれらのニューロンは、2 つの主要な経路を介して投影を送信します。の 直接 または 線条体黒質 線条体ニューロンがSNprに直接投射する経路、および 間接的な または 線条体淡蒼球 線条体ニューロンが GP に投射し、次に STN に投射し、SNpr で終了する経路です (図 2)。 GP から STN への 2 つの線条体経路と投影は、本質的に GABA 作動性です。 STNは皮質から興奮性グルタミン酸入力を受け取り、GPとSNprの両方に興奮性出力を提供します。 SNpr は GABAergic 投影を
14 タラジとカウフマン
図2 大脳基底核-視床皮質回路の詳細な構成。ギャバ、 g-アミノ酪酸、抑制性[-]神経伝達物質。 GLU、グルタミン酸、興奮性[+]神経伝達物質。 GP、淡蒼球。 PPN、足橋橋核。黒質緻密部[SNpc]および黒質網様部[SNpr]。 STN、視床下核。 SC: 上丘 (見る 詳細についてはテキストを参照してください)。
腹側視床核、腹側外側核、および視床内側核は、大脳皮質にグルタミン酸作動性入力を供給します（図2）。 SNpr はまた、上丘および脚橋核に対してあまり目立たない突起を提供します。
大脳基底核は、運動、特にゆっくりとした運動のプログラミングと開始、および運動記憶と検索に関与しています。 DA は com をプレイします
プレックスは、直接経路に対して正味の興奮効果を有し、間接経路に対して抑制効果を有すると考えられるため、大脳基底核内での重要な役割を果たしている。したがって、DAは、視床皮質投射とその後の運動皮質を活性化する直接経路を刺激することによってプログラムされた運動を開始することができ、または間接経路の活性を抑制して視床皮質投射とその皮質入力の活性を阻害することによってプログラムされた運動を阻害することができます。皮質グルタミン酸作動性入力、黒質ドーパミン作動性入力、および大脳基底核視床皮質回路における異なる神経伝達物質受容体間の調整された相互作用に対する線条体黒質ニューロンおよび線条体淡蒼球ニューロンの相対的かつバランスの取れた応答性が、大脳基底核の機能的および行動的結果を決定します。大脳基底核の障害により、ハンチントン病のように制御不能で不随意な動きが生じたり、パーキンソン病のように動きが制限され硬直したりすることがあります。 (19)。さらに、大脳基底核核および/またはその突出標的の異常は、統合失調症および古典的な抗精神病薬治療に伴う運動錐体外路副作用と関連していると考えられています。 (1)。
4.2.大脳辺縁系
大脳辺縁系は、感情や感情的に重要な刺激を媒介する脳の主要な回路です。 (20)。 James Papez によって提案され、Papez 回路としても知られるオリジナルの回路は、帯状回、海馬傍回、および海馬構成 (股関節、歯状回、海馬台を含む) で構成されています。パペスは、海馬形成が帯状回からの情報を処理し、それを脳円蓋（海馬の流出を伝達する主要な線維束）を介して視床下部の乳頭体に伝えると提案した。次に、視床下部の乳頭体は、前視床核を介して帯状回に情報を提供します（図3）。 (21)。 Paul MacLean によって提案された拡張された辺縁回路には、視床下部、中隔領域、側坐核、眼窩前頭皮質、扁桃体の一部など、いくつかの追加の脳構造が含まれています (図 3)。扁桃体は、視床下部、海馬形成、新皮質、視床と相互に接続されている多くの核で構成されています。より最近の手がかりは、扁桃体が感情的感情の媒介に特に関与している大脳辺縁系の一部であるのに対し、海馬、哺乳類の喉頭体、および前視床核は認知形式の記憶記憶により深く関与していることを示しています。 (21,22)。大脳辺縁系の脳構造の異なる構成要素間の神経結合の発達不全、およびそれに続く大脳辺縁系内および密接に関連する構造および領域間の情報処理の機能不全は、以下の章で詳述するように、いくつかの神経障害および精神障害の病態生理学に寄与する可能性がある。
4.3.皮質-線条体-淡蒼球-中脳回路
皮質-線条体-淡蒼球-中脳回路は、認知行動と感情行動も媒介します。この回路は統合失調症の病態生理学に関係しています。
16 タラジとカウフマン
図3 大脳辺縁系の詳細な構成。太線は元の回路を示します。細い線は拡張された回路を示します。海馬の形成には、海馬、馬小屋、嗅内皮質が含まれます。海馬の形成は、脳弓を介して視床下部領域に、および相互接続を介して連合皮質に投影されます。視床下部皮質の突起が示されています。 (図は参考文献から変更されました。 21。）
失調症やパーキンソン病など、さまざまな神経障害や精神障害の治療に使用されるいくつかのクラスの薬剤によって調節されます。 (23)。この回路の重要な脳領域は内側前頭前皮質 (mPFC) であり、これは内側中心前皮質、前帯状皮質、辺縁前皮質、および辺縁下皮質を含む異なるサブ領域に細分化できます。これらのサブ領域は、視床内側核および扁桃体基底外側から求心性神経を受け取ります。これらの領域はすべて、腹側被毛精神野 (VTA) の DA ニューロンからドーパミン作動性求心性神経を受け取ります。 mPFC は尾状被殻に加えて側坐核にも投射を送ります。これらの投影は、さまざまなサブ領域内で地形的に組織されており、これらの投影のそれぞれは、線条体のさまざまな部分に異なるターゲットを持っています。
神経原理 17
図4 皮質-線条体-淡蒼球-中脳回路の詳細な構成。 DL、背外側。 mPFC、内側前頭前皮質。 NAc、側坐核。 VM、腹側内側。 VP: 腹部淡蒼球。 VTA、腹側被蓋野 (見る 詳細についてはテキストを参照してください)。
側坐核は、視床下部および前頭皮質に信号を送信する前に、mPFC、海馬、扁桃体からの情報を統合します。側坐核は、コアとシェルの 2 つのコンパートメントに細分されます。コアとシェルはMPCから別々の興奮性グルタミン酸作動性投射を受け取り、コアは前帯状mPFCからの入力を受け取り、シェルは辺縁下mPFCからの投射を受け取ります。側坐核の核は、大脳基底核に関連する脳領域（視床下核、足足内核、黒質など）に投影されますが、殻は辺縁系とより密接に関係する脳領域（視床下部外側など）に投影されます。および VTA)。側坐核はまた、抑制性 GABA 作動性投射を腹側淡蒼球 (VP) に送り、コアは VP の背外側部分に突出し、殻は VP の腹内側部分に突出します。次に、VP は GABA 作動性投射を視床下部と VTA に送ります。この回路の概略を図 4 に示します。
5. 神経画像法
過去 10 年間で、神経疾患および精神疾患の研究における神経画像技術の利用が大幅に増加しました。最も一般的に使用される方法は、陽電子放出断層撮影法 (PET) や単光子放出断層撮影法 (SPECT) などの放出断層撮影法と、イメージング (MRI)、機能的画像法 (fMRI)、および磁気共鳴分光法 (MRS) などの磁気共鳴技術です。 ）。
これらの各技術は比較的非侵襲的であり、ほとんどの患者/研究対象者にとって高い安全域を持っています。各技術には、感度、空間的または時間的解像度、安全性、コストの点で重要な利点と制限もあります。このセクションでは、PET、SPECT、MRI、fMRI、MRS の方法と、神経学的および精神医学的な診断と研究における応用について簡単に説明します。詳細な技術的説明はこのセクションの範囲を超えていますが、興味のある読者がこれらの方法の技術的基礎についてさらに学ぶことができる参考資料が提供されています。
5.1.放射断層撮影法
PET および SPECT イメージングは、脳および他の臓器系の血流、代謝 (グルコース摂取または酸素利用)、薬物薬力学、薬物動態、神経伝達物質の合成と放出、受容体の分布と密度 (DA、5-HT、健康な患者と病気の患者におけるNE、そのトランスポーター、および他の受容体システム）、酵素機能、およびBBB輸送。 PET および SPECT イメージングでは、放射性原子 (放射性核種) を含む化学プローブを利用して、これらの生物学的現象を検出できます (表 1)。一部のプローブは、安定した (非放射性) 原子の代わりに放射性原子 (放射性同位体) を有する、生物学的に興味深い内因性分子と同一です (例: PET プローブ [15O]水）。その他、(18F)フルオロデオキシグルコース ([18F]FDG) は、脳やその他の組織へのグルコースの取り込みを検出するために使用されるグルコース類似体で、生物学的活性を変化させない放射性原子が追加された生物学的に活性な分子です。一部のプローブは、特定の現象を研究するために開発された合成化合物です。例えば、 （99メートルTc)ヘキサメチルプロピレンアミンオキシム([99メートルTc]HMPAO; SPECT脳血流トレーサー）。放射性核種プローブは静脈内に投与されることがほとんどですが、他の経路を使用することもできます。これらのプローブは、投与されると、高濃度の受容体または親和性の高い他の種類の結合部位を含む体内の部位、または血流または代謝が増加する領域に蓄積します。それらの化学的性質は、プローブ組織の分布パターンを決定します。
放射性崩壊のプロセスにより、これらのプローブから検出される信号が生成されます。放射性原子は不安定で、より安定した核を形成するために崩壊する核過剰の陽子を持っています。崩壊プロセスでは、PET および SPECT スキャナーで検出できる光子が生成されます。放射性原子の崩壊速度は、その半減期、つまり物質の半分が崩壊してより安定した非放射性物質になるまでにかかる時間と呼ばれます。放射性核種の半減期は大きく異なります（表1）
約 2 分からの範囲 (15O) から数日 (133キセノン）。 PET 放射性核種は一般に SPECT プローブより半減期が短く、放射化学の準備ステップが迅速に行われ、プローブ生成後の最初の数半減期以内に放射性核種を投与できるように、PET スキャナーの近くで (サイクロトロンによって) 生成する必要があります。 、<6 分 15お）。したがって、PET プローブは SPECT プローブよりも操作が難しい場合があります。ただし、半減期が短いことは、単一の研究中に複数回投与できるものがあるため、短期間で複数の評価を必要とする研究では有利であると考えられています。半減期が長い SPECT 放射性核種は、準備手順の点ではるかに柔軟な傾向があり、投与部位から遠隔で準備することもできます。ただし、減衰速度が遅いため、被験者はより高い放射線量にさらされる可能性があります。
PET と SPECT の放射性核種崩壊は両方とも次のような結果をもたらしますが、 g-線（光子）の放出、したがって「放出」断層撮影という用語、その減衰および検出プロセスは異なります。 PET 放射性核種の崩壊には、原子核からの正に荷電した電子 (陽電子) の放出が含まれます。短い距離を移動した後、陽電子は電子と衝突し、2 つの高エネルギー光子を生成する「消滅イベント」を引き起こします。これらの光子は、衝突現場から反対（逆平行）方向に移動し、PET カメラの円形センサー アレイの反対側に配置された 2 つの光子感応結晶によって検出されます。 PET カメラ検出器は電子的にリンクされており、短い時間枠 (ナノ秒程度) 内で対向する結晶を活性化する光子のみを、真の放射性核種崩壊現象を反映するものとして記録します。この検出スキームは「一致検出」と呼ばれ、ランダム ノイズ、光子散乱、またはその他のイベントの結果として生成される可能性のある一致しない光子が PET 画像に寄与する可能性を低減することで、高い感度を保証します。同時に発生した光子に由来するものとして特定された光子経路が登録され、それらの合計を使用して放射性核種局在の多次元画像が形成されます。 (単一ではなく) 複数の画像面が取得され、画像の構築に使用できるという事実により、これは平面の画像化技術ではなく、断層撮影法となります。最終的な画像を生成する前に、減衰や散乱などの交絡プロセスについて画像をフィルタリングまたはその他の方法で補正することができます。
SPECT では、余分な核陽子が電子捕獲と呼ばれるプロセスによって軌道電子を引き付け、準安定核を形成するときに放射性核種の崩壊が発生します。これによりエネルギー (80 ～ 160 keV) が生成され、単一のエネルギーの形で放出されます。 g-光線（光子）。 SPECT カメラは、画像形成にコリメーション (定義: 直線または平行なレンズを作成する) プロセスを使用します。コリメータには、結晶光子センサーに通じる多数の平行な狭いチャネルが含まれています。平行な経路を移動する光子はコリメータを通過し、SPECT 画像の生成に適用される同様のフィルタリングおよび再構成手法を使用して、PET 研究と同様に登録および処理されます。ただし、コリメータは非平行な経路を移動する光子からの信号を除去するため、一部の光子は登録されず、その信号が失われます。 SPECT における信号損失のもう 1 つの原因は、もともとコリメータの穴と平行な軌道を維持していた光子が軟組織との相互作用によってそらされるときに発生します。
コンポーネント。これらの「散乱」光子は画像形成から除外されます。逆の問題は、もともと非平行な経路を移動していた光子が平行な経路に変更されて、不正確な画像位置情報が提供される場合にも発生します。 SPECT (80 ～ 160 keV) の光子エネルギー レベルは PET 放射性核種 (511 keV) よりも大幅に低く、SPECT 光子は組織を通過する際に (吸収または散乱によって) PET 放射性核種よりも多くの減衰を受ける可能性があるため、SPECT 画像の生成がさらに低下します。効率と PET の比較。したがって、SPECT は画像生成技術の効率が低く、空間解像度が PET よりも低い傾向があります。ただし、SPECT 放射性核種は PET 放射性核種よりも半減期が長いため、より簡単に取り扱い、研究現場から離れた場所で合成することができます。さらに、SPECT のコストは通常 PET の半分以下です。これらの利点は、SPECT が広く使用されている理由の 1 つです。
PET と SPECT は両方とも、低濃度の放射性核種標識プローブ (ナノモル以下の濃度) の検出には高感度ですが、十分な量の放射性崩壊が発生して光子がカウントされるように、この感度には数秒から数分のオーダーのサンプリング時間が必要です。画像形成のために蓄積されます。この時間分解能は多くの生理学的プロセスを研究するには十分以上ですが、1 秒から数秒程度の速度で発生するプロセスの研究にはいくつかの制限があります。さらに、PET も SPECT も、研究対象の組織の高解像度の解剖学的画像を生成しません。ミリメートルオーダーの空間分解能は多くの目的に十分ですが、一部の用途では、放射性核種の局在を正確に決定するために、高解像度の解剖学的画像 (例: コンピューター断層撮影 [CT]、または MRI) との画像の位置合わせが必要です。画像の相互位置合わせプロセス自体には限界があるため、解剖学的に相互位置合わせされた PET/SPECT 画像の空間解像度は、CT や MRI によって得られる空間解像度に近づくことはできますが、同等ではありません。 (24–26)。
5.2.磁気共鳴
以前は頭字語 NMR (核磁気共鳴) と呼ばれていた MRI は、実際には一連の技術であり、その信号はいくつかの基本的な現象の結果として生成され、これらを組み合わせると、構造イメージング、fMRI、および化学イメージング (MRS としても知られる) が可能になります。 ）。 NMR の核部分とは、この技術が正味の核磁気モーメントを持つ奇数の陽子および/または中性子を持つ原子を含む分子に限定されるという事実を指します。 MR で検出可能な原子には水素 (1H-陽子と 2H-重水素)、ヘリウム(3彼）、リチウム（7リチウム）、炭素（13C)、酸素(17O)、フッ素(19F)、ナトリウム(23Na)、リン(31P)、カリウム(39K）。したがって、生物学的に関心のある分子に存在するほとんどの原子は、MR 技術を使用して視覚化できます。さらに、これらの原子はすべて安定した非放射性同位体であるため、上で述べたように、MR 研究は電離放射線に曝露することなく実施されます。したがって、MRI 技術は、電離放射線を利用する技術 (PET、SPECT、CT イメージングなど) よりも本質的に安全です。この違いは、複数の画像取得セッションを必要とする反復測定研究において特に重要です。
NMR の磁性部分は、MR で可視化される原子が強い磁場に置かれると、その分子スピンが主磁場に対して反平行および平行に配向された、より高いエネルギー状態とより低いエネルギー状態に量子化されるという事実を指します (B)の）、 それぞれ。これらのスピンは小さなジャイロスコープのように動作し、B の周りを回転します。の 軸。 Bとしての 増加すると、より高いスピン状態とより低いスピン状態の間のエネルギー差（ボルツマン定数によって決定される）が増加し、B が十分に大きい場合、の、いくつかの余分なスピンがより低いエネルギー状態に落ち、ペアが解除されます。これらの不対スピンは、対象物質内の残りの対（MR 不可視）スピンのトレーサーとして機能します。水素原子の場合 (1H、陽子）1.5 テスラ（1.5 T、アジア、ヨーロッパ、北米の緯度での地球の磁場の約 30,000 倍に相当）で研究すると、100 万個の陽子のうちおよそ 10 個がより低いエネルギー状態で不対スピンを持ち、 MR研究で観察可能。これが、PET または SPECT イメージングと比較した場合、MR 技術が比較的感度が低い (マイクロモル以上の濃度を検出できる) 理由です。
MR研究では、物体を大きな磁場に置くことによってトレーサースピンが生成されると、共鳴（ラーモア）周波数（研究対象の原子核と磁石の場の強さによって決定される）の高周波（RF）パルスが発生します。たとえば、1.5 T の陽子の場合は 63.87 MHz）が物体にブロードキャストされます。これがNMRの共鳴部分です。共鳴周波数で回転するトレーサー陽子は RF パルスエネルギーを吸収し、より高いエネルギーのスピン配向 (B と逆平行) にブーストされます。の）。 RF パルスがオフになると、トレーサー スピンは緩和してより低いエネルギー状態に戻り始め、過剰なエネルギーを放出します。 共鳴する ラーモア周波数の RF 信号。したがって、MR は、PET や SPECT と同様に、ある意味で放射技術とみなすことができます。各 MR 可視原子は、所定の磁場強度において異なる共鳴周波数で回転するため、RF エネルギーを発信および吸収する共鳴周波数を選択することにより、MR 可視原子を含む物質を選択的に検出することが可能になります。
緩和中、トレーサースピンは主磁場軸の周りを回転し、その放出エネルギーはラーモア周波数に同調された高感度アンテナ (ボリューム、表面、フェーズドアレイコイルなど) で検出されます。これらのアンテナは、スピン格子または T1 緩和とも呼ばれる縦緩和と、スピン-スピンまたは T2 緩和としても知られる横緩和という 2 つの異なるタイプの緩和挙動を検出します。縦緩和は、より高いエネルギー状態のトレーサースピンがより低いエネルギー状態に戻る際に、吸収したエネルギーを環境に放出するプロセスです。横緩和は、スピン集合体全体が平衡に達するにつれて、高エネルギー状態のトレーサースピンが同じ分子内または物体内の他の分子内の他の局所スピンとエネルギーを交換するプロセスです。パラメータ T1 と T2 は、励起されたスピンの半分が主磁場 (B) のいずれかによって平衡に戻るのにかかる時間を反映しています。の）、または対象オブジェクト内の他のスピンをそれぞれ使用し、T2 は一般に T1 よりもはるかに短くなります。 MRI は、脳や他の組織内のタンパク質や脂質との相互作用によって複雑に調節される水緩和挙動 (T1 および T2) を測定します。 T1 または T2 の挙動、またはその組み合わせをより強く表現するように画像取得のタイミングを調整することで、「T1 強調」、「T2 強調」、または「プロトン密度」を取得できます。
それぞれ画像。これらの画像タイプは、さまざまな形の組織コントラストを提供します。たとえば、T1 強調画像 (正常な解剖学的構造の研究に使用) では、灰白質は灰色に見え、白質は白く見えますが、T2 強調画像 (脳の病理の評価に使用) では、異常な組織が明るく強調表示されます。画像取得のタイミング、したがって T1 および T2 コントラストを操作することにより、多くの画像コントラストの変化を伴う脳の構造 (および機能) を研究することが可能です。
5.3. fMRI技術
5.3.1.血中酸素濃度依存性 (BOLD) fMRI 技術 おそらく、神経疾患および精神疾患の研究で使用される最もよく知られた fMRI 技術は、BOLD fMRI と呼ばれます。この技術は、その頭字語が示すように、感覚、動き、思考、またはそれらの組み合わせに関連する局所的な活性化に応答して発生する脳酸素化の変化に敏感です。脳が活性化されると、局所的な代謝と血流が増加し、追加の酸素とブドウ糖が供給されます。ただし、設計上、代謝需要の増加をサポートするために必要な量よりも多くの酸素が供給されるため、酸素の過剰供給が生じ、内因性 MR 造影剤であるデオキシヘモグロビン (deOHb) の含有量が正味減少します。 deOHb の活性部位 (酸素に結合していない) の鉄原子は常磁性であり、局所的な磁場を歪ませる (水 T1 および T2 を変化させる) ため、deOHb 含有量を減らすと局所的な磁場の均一性が向上し、画像強度が増加します。活性化中に得られた太字の画像はベースライン画像から差し引かれ、明るく見える脱OHb ウォッシュアウトの領域が明らかになります。 BOLD イメージングは高速 (約 1 秒) で実行できるため、脳機能の動的な研究が可能になります。この速度と、BOLD データを連続的に取得した高解像度解剖学的 (MRI) 画像に重ね合わせることができるという事実により、fMRI は脳機能の局在研究に最適になります。
ただし、BOLD は非常に高速で多用途で人気がありますが、BOLD 信号応答は動的な血流、量、酸素化の変化の複雑で入り組んだ測定値です。 (27)であり、BOLD fMRI を使用してこれらのパラメータの絶対的な変化を判断することは困難です。さらに、従来の磁場強度 (約 1.5 T) では、BOLD 取得パラメータは、fMRI 信号が大きな血管 (グラジエント エコー取得に典型的な、活性化されたニューロンから離れたもの) の血管内イベントを反映するか、小さな血管 (脳に近い) の血管内イベントを反映するかに強く影響します。ニューロンの活性化部位、典型的なスピンエコー取得）。ただし、磁場の強度が増加するにつれて、BOLD 測定は組織内で発生する血管外イベントを反映する傾向があります。この事実は、より強力な磁石で得られる時間的および空間的分解能の向上とともに、高磁場 MRI スキャナー (>3.0 T) の開発に向けた機器のトレンドを推進しています。より高い磁場強度のスキャンの長所と短所についての優れた議論が、Kim と Garwood によって発表されています。 (28)。
fMRI 研究では、BOLD コントラストに加えて、他のコントラスト メカニズムも使用されます。いくつかの研究では、ランタニド金属ガドリニウムのキレート化された形態を含む造影剤の静脈内投与が含まれています。
ネティックで水の T1 および T2 緩和を強力に増加させ、画像の強度を変化させます。これらの薬剤は血液脳関門の開存性を判定するために臨床的に使用されますが、脳血液量 (CBV) と薬剤やその他の課題に対するその反応を判定するために動的に注入することもできます。新しい常磁性原子または粒子（超常磁性酸化鉄粒子など）を含む新しい造影剤も開発中です。さらに、特定の生物学的プロセスに応答する分子構造を含む「スマート造影剤」が開発されています。 (29)。
5.3.2.動脈スピンラベリング (ASL) fMRI 技術
血管を流れる水の磁化と緩和特性の積極的な操作は、血管を流れる血液の画像を生成する ASL fMRI 技術の基礎です。 (30)。この技術では、血液水の磁化がスキャンパルスによって変化し、その結果得られた画像が同じ平面から撮影された通常の画像から差し引かれ、血流画像が明らかになります。この方法は、多くの疾患における脳血流異常を研究するために使用され、機能的または化学的課題に対する血流反応を定量的に評価するために動的に使用できます。
5.3.3.拡散テンソル イメージング (DTI) 技術
白質の完全性と接続性を特定し特徴付けるために使用されることが増えているもう 1 つのスキャン タイプは、拡散強調イメージングの複雑な変形である DTI です。 DTI は、時間の経過とともに複数の勾配を適用して水の磁化を 6 方向以上に変化させ、3 次元の水の拡散パターンを特定します。水は、（これらの膜内または膜を横切るのではなく）神経細胞膜またはグリア膜の外側またはそれに沿ってより容易に拡散する傾向があります。拡散コヒーレンス、つまり異方性が増加すると、DTI 信号も増加します。 DTI シグナルは、水が一方向に拡散する傾向のある、密に詰まった水拡散チャネルを形成する有髄軸索を含む白質領域で最も高くなります。この技術は白質の破壊または損傷に非常に敏感であり、拡散異方性と DTI 信号が減少します。
5.4.化学分光法技術
5.4.1.プロトン分光法
プロトンとして知られるイメージングの化学形態 (1H) 分光法 (1H MRS) は、現在、神経疾患および精神疾患の研究に広く使用されています。陽子の MRS 研究 (およびリン、炭素などを含む他の MR で可視の原子核の MRS 研究) (表 1) は、化学環境 (化学シフトおよびピーク分割) および濃度を含むいくつかの種類の情報を含むスペクトルを生成します。 （ピーク振幅）を測定します。 MRS 研究では、単一の脳立方体 (ボクセル) からスペクトルを取得することができ、同時に化学シフト イメージングと呼ばれる技術を使用してボクセルの平面アレイからデータを取得することもできます。この技術は、イメージングと同様に、勾配の組み合わせを適用して、2 つまたは 3 つの複数のボクセルからのスペクトル データの位置を特定します。寸法。化学シフト (スペクトルの水平部分)
特定の官能基（メチル、メチレン、ヒドロキシルなど）の化学ピークは、大きな磁場にあるときに水素原子核が経験する磁場によって決まります。電子供与基と電子吸引基はそれぞれ、より負に帯電した核と正に帯電した核を生成し、化学シフトを異なって変化させます。さらに、隣接する炭素原子に結合した水素原子は互いに磁気結合して、陽子スペクトルのピーク分割パターンを引き起こす可能性があります。
プロトンスペクトルでは、簡単に視覚化できる代謝物には以下のものがあります。 N– アセチルアスパラギン酸（神経細胞の生存能力およびおそらくミトコンドリア機能のマーカー）、コリン含有化合物（膜リン脂質およびその他の成分）、クレアチンとリンクレアチン（後者は高エネルギーリン貯蔵形態）を組み合わせたピーク。プロトン MRS は、主要な抑制性神経伝達物質および興奮性神経伝達物質である GABA およびグルタミン酸の検出にも使用できます。しかし、グルタミン酸は神経伝達物質であると同時にエネルギー中間体でもあり、神経伝達物質の成分はグルタミン（グルタミン酸神経伝達の異化産物であり、神経伝達物質グルタミン酸への再合成のためにグリアから神経細胞に運ばれる）を測定することによって間接的に評価するのが最もよい。 MRS 研究は、この章で説明する手法の中で最も感度が低くなります。サンプル量は大きくなければなりません (>1 cm3)、サンプリング時間が長い (数分)。限界はあるものの、化学情報を非侵襲的に取得できるため、MRS は精神医学やその他のタイプの脳研究で使用するのに非常に魅力的です。
5.4.2.他の形式の化学分光分析
他の MRS フォームも脳の化学および代謝に関する有意義な情報を提供し、治療薬の脳レベルを定量化するために使用できます (表 1)。たとえば、リン分光法 (31P MRS) は、高エネルギーリン酸中間体であるホスホクレアチンとアデノシン三リン酸 (ATP) の両方を検出し、組織の pH とマグネシウム濃度の測定にも使用できます。フッ素分光法（19F MRS) は、脳または他の組織内の抗うつ薬フルオキセチン、およびフッ素原子を含む他の治療用化合物を検出するために使用できます。リチウム（7Li) MRS は、治療薬投与中の脳内リチウム濃度を測定するために使用されています。炭素分光法 (13C MRS) は、グルコース、神経伝達物質 GABA、グルタミン酸などの組織代謝、および中間代謝に関与する分子からのシグナルを検出するために使用できます。残念ながら、 31Pと 13C MRS 信号の強度は、陽子 MRS 信号のそれぞれ約 6 % と 2% しかありません。したがって、 31Pと 13C MRS は、陽子 MRS よりも空間的および時間的分解能の点でさらに制限されています。このため、これまでのところ、精神医学研究におけるそれらの使用は制限されています。ただし、前述したように、MR 感度の問題は、磁場の強度を高めることで部分的に克服できます。 MRS アプリケーションにおける高強度磁石の利点と欠点の詳細なレビュー、および MR イメージングの方法とアプリケーションの詳細については、Kim と Garwood を参照してください。 (28) レンショーと同僚 (31)。
6. 結論
神経科学の原理は、分子生物学、神経化学、神経解剖学、神経生理学、発生学が融合したものです。神経疾患および精神疾患の適切な研究は、脳の研究から始まります。ニューロン間通信とシナプス神経伝達を理解することは、神経機能の破壊がどのように脳障害につながるかを考えるために必要です。これらの疾患の臨床治療は、ニューロンの細胞神経生物学に対する新たな洞察によって大幅に強化されました。高度な神経画像技術は、神経障害または精神障害と診断された患者において通常少なくとも部分的に障害されている、正常な感情的、認知的、意欲的、運動的行動を媒介する脳領域と神経経路を特定するのに役立ちました。
了承
この研究は、NARSAD、NIH 助成金 HM-68359、HD-043649 (FIT)、および DA-017324 (MJK) によって部分的に支援されました。
参考文献
1. バルデッサリーニ RJ、タラジ FI。薬物と精神疾患の治療。掲載: Hardman JG、Limbird LE、編。グッドマンとギルマンの治療薬の薬理学的基礎。第10版ニューヨーク: マグロウヒル、2001:485–520。
2. バルデッサリーニ RJ、タラジ FI。脳のドーパミン受容体: 基礎的および臨床的なその現状に関する入門書。ハーバード大学精神医学牧師、1996;3:301–325。
3. クーパー JR、ブルーム EF、ロス RH。神経薬理学の生化学的基礎。第8版ニューヨーク: オックスフォード大学出版局、2003 年。
4. Lindvall O、Bjorklund A. ドーパミンおよびノルエピネフリンを含むニューロン系: ラットの脳におけるそれらの解剖学。出典: Emson PC、編。化学神経解剖学。ニューヨーク：Raven Press、1983:229–255。 5. Bylund DB、Eikenberg DC、Hieble JP、他。国際薬理学連合によるアドレナリン受容体の命名法。 Pharmacol Rev 1994;46:121–136。
6. Hieble JP、Ruffolo RR Jr. β-アドレナリン受容体の活性化によって媒介される機能。出典: ラッフォロ RR ジュニア編基礎薬理学と臨床薬理学の進歩、vol. 7、b-アドレナリン受容体：分子生物学、生化学、薬理学。バーゼル：カーガー、1991:1–25。
7. Tork I. セロトニン作動系の解剖学。アン・ニューヨーク・アカド・サイエンス、1990;600:9–35。 8. Barnes NM、Sharp T. 中枢 5-HT 受容体とその機能の概説。神経薬理学 1999;38:1083–1152。
9. ミランMJ。統合失調症の治療の改善: セロトニン 5-HT に焦点を当てる1A レセプター。 J Pharmacol Exp Ther 2000;295:853–861
10. タラジ FI、チャン K、バルデッサリーニ RJ。ラット脳領域のドーパミン受容体タイプに対するオランザピン、リスペリドン、およびクエチアピンの長期効果: 抗精神病薬治療への影響。 J Pharmacol Exp Ther 2001;297:711–717。
11. タラジ FI、キャンベル A、イェギアヤン SK、バルデッサリーニ RJ。ラット脳の尾状被殻および側坐中隔核におけるドーパミン受容体サブタイプの局在：Dの比較1-、D2-、D4のような受容体。神経科学 1998;83:169–176。
12.ヤングAB、フレイKA、アグラノフBW。受容体アッセイ: in vitro および in vivo。著：フェルプス M、マッツィオッタ J、シェルバート H、編。陽電子放射断層撮影とオートラジオグラフィー: 脳と心臓の原理と応用。ニューヨーク：レイブン・プレス、1986:73–111。
13. スターンバーガー LA。免疫細胞化学。ニューヨーク：ワイリー、1986年。
14. マジェット・ハンター M. モノクローナル抗体。著：フォザード・H、ハーバー・E、ジェニングス・R、カッツ・H、モーガン・H、編。心臓と心血管系。ニューヨーク: レイヴン・プレス、1986:189–201。
15. エバーワイン JH、ヴァレンティノ KL、バルカス JD。神経生物学における in situ ハイブリダイゼーションニューヨーク: オックスフォード大学出版局、1994 年。
16. チェスレ M-F. in situ ハイブリダイゼーション組織化学。神経生物学。ボカラトン：CRC プレス、1990 年。
17. グレイビールAM。大脳基底核における神経伝達物質と神経調節物質。トレンド神経科学 1990;13:244–254。
18. ゲルフェンCR。新線条体モザイク: 複数のレベルの区画組織。トレンド神経科学 1992;15:133–139。
19. アレクサンダー・GE、クラッチャー医学博士。大脳基底核回路の機能構造：並列処理の神経基板。トレンド Neursci 1990;13:266–271。
20.ルドゥーJE。感情的な脳。ニューヨーク: Simon と Schuster、1996 年。 21. Iversen S、Kupfermann I、Kandel ER。感情的な状態と感情。著：Kandel ER、Schwartz JH、Jessell TM、編。神経科学の原理。 4番目 版。ニューヨーク: マグロウヒル、2000:982–997。
22.アグルトンJP。正常および異常な感情状態に対する扁桃体の寄与。トレンド神経科学 1993;16:328–333。
23. ドイツのAY。前頭前皮質のドーパミンシステムと機能的な皮質線条体回路の詳細：統合失調症とパーキンソン病への影響。 J Neural Transm 1993;91:197–221。 24.マリソンRT。陽電子放出断層撮影法と単一光子放出断層撮影法。薬物乱用研究における方法と応用、出典: カウフマン MJ 編。薬物乱用における脳イメージング: 研究、臨床、法医学への応用。ニュージャージー州トトワ: Humana Press、2001:29–46。
25. ボルコウND、ファウラーJS、ワンGJ。薬物乱用研究における陽電子放射断層撮影法と単一光子放射断層撮影法。セミナー Nuclear Med 2003;XXXIII:114–128。 26. ファウラー JS、ボルコウ ND、ワン G-J、ディン Y-S。 2-デオキシ-2-[18F]人間の脳をモデルとして使用する陽電子放出断層撮影イメージング用のフルオロ-D-グルコースおよび代替放射性トレーサー。セミナー Nuclear Med 2004;XXXIV:112–121。
27. ロゴテティス NK、ワンデル BA。 BOLD 信号の解釈。アン・Rev Physiol 2004;66:735–769。 28. Kim D-S、Garwood M. 脳研究のための高磁場磁気共鳴技術。 Curr Opin Neurobiol 2003;13:612–619。
29. ミード TJ、テイラー AK、ブル SR。生化学レポーターとしての新しい磁気共鳴造影剤。 Curr Opin Neurobiol 2003;13:597–602。
30. ウォン EC、バクストン RB、フランク LR。パルス動脈スピンラベリングを使用した脳機能マッピングのための定量的灌流イメージング技術の実装。 NMR バイオメッド 1997;10:237–249。 31. レンショー PF、フレデリック B、マース LC III。磁気共鳴の基礎。出典：カウフマン MJ 編薬物乱用における脳イメージング: 研究、臨床、法医学への応用。ニュージャージー州トトワ: Humana Press、2001:47–76。
