文献詳細
特集 睡眠と覚醒の脳内機構
文献概要
はじめに
われわれの生活は社会的要因によって制限を受け,通常,目覚まし時計のアラームで睡眠から覚醒し1日の活動を始めることになる。一方で,規則正しい生活リズムが確立されている場合,アラームに起こされることなく必要な起床時刻数分前に目覚め,爽快な気分で1日が始まるということもしばしば経験する。睡眠覚醒やホルモン分泌など多くの生体機能には24時間の周期性,すなわち日内リズムがあることが知られており,生体内に存在する約24時間(サーカディアン)周期の振動機構(体内時計)によって制御される。毎日のスケジュールにおいて,予定されたイベントのタイミングに生理機能を調和させ,効率よく機能させることは体内時計機能の恩恵であろう。
生体機能に周期性が表出されるメカニズムとして,24時間周期で変化する社会的スケジュールや自然環境変化(昼夜差における明暗,温度など)に生体が直接的に反応し,結果として24時間の周期性が生じる反応性リズムが挙げられる。環境因子に対する生体反応で生じるリズムを外因性リズム(外因要素)と呼び,体内の振動機構に支配されるリズムを内因性リズム(内因要素)と呼ぶ。実際に測定される生体機能リズムは,一概にどちらと区分できるものではなく,この2つのメカニズムがさまざまな割合で相互作用していると考えられる。
本総説では日々の生活の中で実感する体内時計の生理機能調節機構について,リズム発振を制御する神経回路からその分子メカニズムまで言及する。
われわれの生活は社会的要因によって制限を受け,通常,目覚まし時計のアラームで睡眠から覚醒し1日の活動を始めることになる。一方で,規則正しい生活リズムが確立されている場合,アラームに起こされることなく必要な起床時刻数分前に目覚め,爽快な気分で1日が始まるということもしばしば経験する。睡眠覚醒やホルモン分泌など多くの生体機能には24時間の周期性,すなわち日内リズムがあることが知られており,生体内に存在する約24時間(サーカディアン)周期の振動機構(体内時計)によって制御される。毎日のスケジュールにおいて,予定されたイベントのタイミングに生理機能を調和させ,効率よく機能させることは体内時計機能の恩恵であろう。
生体機能に周期性が表出されるメカニズムとして,24時間周期で変化する社会的スケジュールや自然環境変化(昼夜差における明暗,温度など)に生体が直接的に反応し,結果として24時間の周期性が生じる反応性リズムが挙げられる。環境因子に対する生体反応で生じるリズムを外因性リズム(外因要素)と呼び,体内の振動機構に支配されるリズムを内因性リズム(内因要素)と呼ぶ。実際に測定される生体機能リズムは,一概にどちらと区分できるものではなく,この2つのメカニズムがさまざまな割合で相互作用していると考えられる。
本総説では日々の生活の中で実感する体内時計の生理機能調節機構について,リズム発振を制御する神経回路からその分子メカニズムまで言及する。
参考文献
1) 本間研一,本間さと,広重 力: 生体リズムの研究. 北海道大学図書刊行会, 札幌,1989
2) Moore RY, Eichler VB: Loss of a circadian adrenal corticosterone rhythm following suprachiasmatic lesions in the rat. Brain Res 42: 201-206, 1972
3) Stephan FK, Zucker I: Circadian rhythms in drinking behavior and locomotor activity of rats are eliminated by hypothalamic lesions. Proc Natl Acad Sci U S A 69: 1583-1586, 1972
4) Ibuka N, Kawamura H: Loss of circadian rhythm in sleep-wakefulness cycle in the rat by suprachiasmatic nucleus lesions. Brain Res 96: 76-81, 1975
5) Inouye ST, Kawamura H: Persistence of circadian rhythmicity in a mammalian hypothalamic "island" containing the suprachiasmatic nucleus. Proc Natl Acad Sci U S A 76: 5962-5966, 1979
6) Sawaki Y, Nihonmatsu I, Kawamura H: Transplantation of the neonatal suprachiasmatic nuclei into rats with complete bilateral suprachiasmatic lesions. Neurosci Res 1: 67-72, 1984
7) Ralph MR, Menaker M: A mutation of the circadian system in golden hamsters. Science 241: 1225-1227, 1988
8) Ralph MR, Foster RG, Davis FC, Menaker M: Transplanted suprachiasmatic nucleus determines circadian period. Science 247: 975-978, 1990
9) Mohawk JA, Takahashi JS: Cell autonomy and synchrony of suprachiasmatic nucleus circadian oscillators. Trends Neurosci 34: 349-358, 2011
10) King DP, Zhao Y, Sangoram AM, Wilsbacher LD, Tanaka M, et al: Positional cloning of the mouse circadian clock gene. Cell 89: 641-653, 1997
11) Vitaterna MH, King DP, Chang AM, Kornhauser JM, Lowrey PL, et al: Mutagenesis and mapping of a mouse gene, Clock, essential for circadian behavior. Science 264: 719-725, 1994
12) Herzog ED, Takahashi JS, Block GD: Clock controls circadian period in isolated suprachiasmatic nucleus neurons. Nat Neurosci 1: 708-713, 1998
13) Liu AC, Welsh DK, Ko CH, Tran HG, Zhang EE, et al: Intercellular coupling confers robustness against mutations in the SCN circadian clock network. Cell 129: 605-616, 2007
14) Liu C, Weaver DR, Strogatz SH, Reppert SM: Cellular construction of a circadian clock: period determination in the suprachiasmatic nuclei. Cell 91: 855-860, 1997
15) Nakamura W, Honma S, Shirakawa T, Honma K: Clock mutation lengthens the circadian period without damping rhythms in individual SCN neurons. Nat Neurosci 5: 399-400, 2002
16) Bae K, Jin X, Maywood ES, Hastings MH, Reppert SM, et al: Differential functions of mPer1, mPer2, and mPer3 in the SCN circadian clock. Neuron 30: 525-536, 2001
17) Bunger MK, Wilsbacher LD, Moran SM, Clendenin C, Radcliffe LA, et al: Mop3 is an essential component of the master circadian pacemaker in mammals. Cell 103: 1009-1017, 2000
18) Debruyne JP, Weaver DR, Reppert SM: CLOCK and NPAS2 have overlapping roles in the suprachiasmatic circadian clock. Nat Neurosci 10: 543-545, 2007
19) Vitaterna MH, Selby CP, Todo T, Niwa H, Thompson C, et al: Differential regulation of mammalian Period genes and circadian rhythmicity by cryptochromes 1 and 2.Proc Natl Acad Sci U S A 96: 12114-12119, 1999
20) Yamazaki S, Numano R, Abe M, Hida A, Takahashi R, et al: Resetting central and peripheral circadian oscillators in transgenic rats. Science 288: 682-685, 2000
21) Meyer-Bernstein EL, Jetton AE, Matsumoto S, Markuns JF, Lehman MN, et al: Effects of suprachiasmatic transplants on circadian rhythms of neuroendocrine function in golden hamsters. Endocrinology 140: 207-218, 1999
22) Nunez AA, Stephan FK: The effects of hypothalamic knife cuts on drinking rhythms and the estrus cycle of the rat. Behav Biol 20: 224-234, 1977
23) Silver R, LeSauter J, Tresco PA, Lehman MN: A diffusible coupling signal from the transplanted suprachiasmatic nucleus controlling circadian locomotor rhythms. Nature 382: 810-813, 1996
24) Sujino M, Masumoto KH, Yamaguchi S, van der Horst GT, Okamura H, et al: Suprachiasmatic nucleus grafts restore circadian behavioral rhythms of genetically arrhythmic mice. Curr Biol 13: 664-668, 2003
25) Born J, Hansen K, Marshall L, Molle M, Fehm HL: Timing the end of nocturnal sleep. Nature 397: 29-30, 1999
26) Feillet CA, Mendoza J, Albrecht U, Pevet P, Challet E: Forebrain oscillators ticking with different clock hands. Mol Cell Neurosci 37: 209-221, 2008
27) Lamont EW, Diaz LR, Barry-Shaw J, Stewart J, Amir S: Daily restricted feeding rescues a rhythm of period2 expression in the arrhythmic suprachiasmatic nucleus. Neuroscience 132: 245-248, 2005
28) Mieda M, Williams SC, Richardson JA, Tanaka K, Yanagisawa M: The dorsomedial hypothalamic nucleus as a putative food-entrainable circadian pacemaker. Proc Natl Acad Sci U S A 103: 12150-12155, 2006
29) Mistlberger RE: Neurobiology of food anticipatory circadian rhythms. Physiol Behav 104: 535-545, 2011
30) Nakamura W: Behavioral analysis of circadian rhythms: Entraining the circadian clock and determining the food-entrainable oscillator mechanism. Sleep Biol Rhythm 8: 28-33, 2010
31) Inouye S: Restricted daily feeding does not entrain circadian rhythms of the suprachiasmatic nucleus in the rat. Brain Res 232: 194-199, 1982
32) Stokkan KA, Yamazaki S, Tei H, Sakaki Y, Menaker M: Entrainment of the circadian clock in the liver by feeding. Science 291: 490-493, 2001
33) Krieger DT: Ventromedial hypothalamic lesions abolish food-shifted circadian adrenal and temperature rhythinicity. Endocrinology 106: 649-654, 1980
34) Honma S, Honma KI, Nagasaka T, Hiroshige T: The ventromedial hypothalamic nucleus is not essential for the prefeeding corticosterone peak in rats under restricted daily feeding. Physiol Behav 39: 211-215, 1987
35) Mistlberger RE, Rechtschaffen A: Recovery of anticipatory activity to restricted feeding in rats with ventromedial hypothalamic lesions. Physiol Behav 33: 227-235, 1984
36) Honma K, Noe Y, Honma S, Katsuno Y, Hiroshige T: Roles of paraventricular catecholamines in feeding-associated corticosterone rhythm in rats. Am J Physiol 262: E948-E955, 1992
37) Gooley JJ, Schomer A, Saper CB: The dorsomedial hypothalamic nucleus is critical for the expression of food-entrainable circadian rhythms. Nat Neurosci 9: 398-407, 2006
38) Landry GJ, Simon MM, Webb IC, Mistlberger RE: Persistence of a behavioral food-anticipatory circadian rhythm following dorsomedial hypothalamic ablation in rats. Am J Physiol 290: R1527-R1534, 2006
39) Moriya T, Aida R, Kudo T, Akiyama M, Doi M, et al: The dorsomedial hypothalamic nucleus is not necessary for food-anticipatory circadian rhythms of behavior, temperature or clock gene expression in mice. Eur J Neurosci 29: 1447-1460, 2009
40) Davidson AJ: Lesion studies targeting food-anticipatory activity. Eur J Neurosci 30: 1658-1664, 2009
41) Abe M, Herzog ED, Yamazaki S, Straume M, Tei H, et al: Circadian rhythms in isolated brain regions. J Neurosci 22: 350-356, 2002
42) Iijima M, Yamaguchi S, van der Horst GTJ, Bonnefont X, Okamura H, et al: Altered food-anticipatory activity rhythm in Cryptochrome-deficient mice. Neurosci Res 52: 166-173, 2005
43) Storch KF, Weitz CJ: Daily rhythms of food-anticipatory behavioral activity do not require the known circadian clock. Proc Natl Acad Sci U S A 106: 6808-6813, 2009
44) Mistlberger RE, Yamazaki S, Pendergast JS, Landry GJ, Takumi T, et al: Comment on "Differential rescue of light- and food-entrainable circadian rhythms". Science 322: 675, 2008
45) Pendergast JS, Nakamura W, Friday RC, Hatanaka F, Takumi T, et al: Robust food anticipatory activity in BMAL1-deficient mice. PLoS One 4: e4860, 2009
46) Nakamura W, Yamazaki S, Nakamura TJ, Shirakawa T, Block GD, et al: In vivo monitoring of circadian timing in freely moving mice. Curr Biol 18: 381-385, 2008
掲載誌情報