神経ペプチドによる本能行動制御の進化的背景を探る!
(脳ペプチドによる魚類の情動行動制御のメカニズムの解明)
Evolutionary background of regulation of instinct behavior by neuropeptides

松田恒平

Keywords: fish; neuropeptides; feeding behavior; psychomotor activity

【研究の背景と目的】

動物にとって、摂食行動、生殖行動および情動行動の制御は、個体の生存や種の保存上、きわめて重要です。これらの本能行動は、中枢・末梢神経系や神経内分泌系の相互作用によって複雑に制御されます。最近、食欲を制御する神経ペプチドが、生殖行動や情動行動にも強い影響を及ぼす可能性が指摘されています。私たちは、本能行動解析の優れたモデル動物であるキンギョ及びゼブラフィッシュにおける神経ペプチドによる摂食行動の制御機構を解明してきました(文献(総説)1-3,5)。さらに、明暗実験水槽を用いた嗜好テスト(scototaxis test)を独自に開発しつつ、キンギョの情動行動(anxiety-like and anxiolytic-like behaviorsとして定義)の定量化に成功しました(文献(総説)4,5)。これらの実験系を用いて、魚類の本能行動を制御する神経ペプチドの機能を解明し、脊椎動物における神経ペプチドによる脳制御機構の進化的変遷過程を明らかにすることを主な研究の目的としています。

【Background and Purpose of Study】

The regulation of feeding, reproductive and emotional behaviors in animals are important for survival, and continuance of the species. The regulation of instinctive behaviors is a complex phenomenon involving the interaction of the central and peripheral nervous systems and neuroendocrine system. Recent studies have revealed that reproductive behavior and psychomotor activity and/or emotional behavior are affected by several of neuropeptides related to appetite and satiety regulation (see our reviews, 1-3). Recently, our group has indicated that the scototaxis protocol (light/dark background areas preference test) can be used to evaluate psychomotor activity of goldfish and zebrafish, notably anxiety- and anxiolytic-like behaviors (see our review, 4). The aim of our research is to understand the evolutionary background of the neuropeptide-regulated system of instinct behaviors in fish. This could provide insights into the role of instinct-regulating neuropeptides for vertebrates in general.

【本研究の領域横断性】

私たちは、魚類の本能行動の制御機構の解明を目指した研究に取り組んでいます。魚類の食欲・情動の制御機構を明らかにすることは、魚類の制御機構を理解するだけに止まらず、脳の機能進化における変遷過程を辿りながら、哺乳類のような複雑な動物の脳制御機構をより詳細に理解するための有益な情報をもたらします。本研究は魚類の神経ペプチドの制御機構の解明という新たな研究分野を開拓しつつ、生命の根幹を担う基本的機能の解明に寄与できます。また、哺乳類以外の動物種における解析を行うことは、これまでの哺乳類実験と比較しながら新しい実験系も提案できます。例えば、食欲や情動に影響を与える薬物の高次脳機能実験が魚類を用いて実施可能となります(2009年第11回応用薬理シンポジウム招待講演)。

【研究内容】

1.魚類の摂食行動を制御する神経ペプチドの機能解析

 げっ歯類より見出されてきた摂食の調節に関わる神経ペプチドおよび受容体のほとんどは魚類の脳にも存在することが明らかにされてきた。私たちの研究グループは、北米の研究グループにより考案された魚類脳室内投与法により、これらの神経ペプチドを投与すると摂餌量が顕著に変動することや神経ペプチドをコードする前駆体mRNAあるいは、それぞれの神経ペプチドに対する受容体をコードするmRNAの脳内発現量が給餌状態により大きな影響を受けることを見出した。キンギョにおけるこれらの実験結果は、魚類の摂食がげっ歯類と類似している神経ペプチド作動性の神経伝達機構により調節されていることを示唆する。しかしながら、私たちは、例えばメラニン凝集ホルモンの場合のように、げっ歯類と異なる機構の存在も見出した。すなわち、メラニン凝集ホルモンは、げっ歯類において摂食亢進作用を示す代表的な摂食亢進性神経ペプチドとして位置づけられているが、キンギョでは、メラニン凝集ホルモンは、他の摂食抑制因子と協調的に相互作用することにより、また、摂食亢進因子の発現を抑えることにより、摂食を抑制する脳内因子として機能することを明らかにした(Fig. 1、文献(総説)1, 2)。このことは、魚類より哺乳類に至る進化の過程において、メラニン凝集ホルモンの神経伝達経路が大きく変化してきたことを示唆する。

2.魚類の情動行動に影響を及ぼす神経ペプチドの機能解析

摂食行動を調節する上記の幾つかの神経ペプチドは生殖行動や情動行動にも深く影響を与える可能性が、最近、指摘され始めた。私たちの研究グループは、幾つかの神経ペプチドを投与するとキンギョの遊泳行動が著しく変化する例を多々観察した(文献(総説)4, 5)。さらに、神経ペプチドを投与した際のキンギョの自発遊泳行動を全自動動物行動追跡システムによりリアルタイムに計測したところ、興味深いことに、オレキシン、グレリン、コルチコトロピン放出ホルモンおよびジアゼパム結合阻害物質由来ペプチドの脳室内投与は、自発遊泳行動量を高めた。一方、神経ペプチドY、下垂体アデニル酸シクラーゼ活性化ポリペプチド、血管作動性腸ポリペプチドおよびニューロメディンUの投与は、行動を抑えた。これらの観察は、摂食制御に関与する神経ペプチドが魚類の精神生理学的影響を及ぼす可能性を示唆する。キンギョやゼブラフィッシュは明所よりも暗所をより好む行動を示すことから、げっ歯類で用いられる明暗ケージ嗜好テストを参考にして明暗実験水槽を用いた嗜好テスト(scototaxis test)を独自に開発しつつ、魚類の情動行動(anxiety-like and anxiolytic-like behaviorsとして定義)を定量的に解析できる方法を考案した(文献(総説)4)。この実験方法により、ジアゼパムや選択的セロトニン再取り込み阻害剤の投与は、魚類において、anxiolytic-like actionを引き起こし、一方、FG-7142(ベータカルボリン系不安惹起剤)の投与はanxiety-like actionを引き起した。これらの実験データは、魚類の脳制御機構がげっ歯類と類似していることを示唆するかもしれない。さらに、私たちの研究グループは、神経ペプチドYが摂食亢進作用とは異なる分子機構によって、anxiolytic-like behaviorをもたらし(Fig. 2A、文献(総説)4)、また、ジアゼパム結合阻害タンパク質に由来するエンドゼピン類が、摂食抑制作用とは異なる分子機構によってanxiety-like behaviorを惹起することを魚類ではじめて見出した(Fig. 2B、文献(総説)4)。

以上のとおり、キンギョにおいて摂食行動の制御に関与する神経ペプチドは、他の中枢機構や神経内分泌調節機構と密接に関連している実体が徐々に判ってきた。今後、神経行動学的なアプローチや分子神経薬理学的な実験方法による神経ペプチドの機能解析を手がけたいと考えている。

【まとめ】

魚類における本能行動の脳制御機構、特に神経ペプチドによる制御の仕組みは、げっ歯類と共通するハードウェア(神経ペプチド・受容体)を利用しているようだが、詳細は異なっていることも徐々に明らかになってきた。神経回路網や行動発現に至る過程を詳細に解明しながら、げっ歯類との異同を探ることによって本能行動の脳制御機構の進化モデルと進化プロセスを考察できるヒントが得られるかもしれない。

私たちの研究グループは、他の魚種、特に産業上有用な魚種を用いた応用研究にも挑んでいる。特に北里大学海洋生命科学部、九州大学大学院農学研究院、近畿大学農学部の各研究グループや水産系・化学系大手企業および県内外の漁業共同組合と連携した共同研究を展開して養殖魚の摂食調節の脳制御機構の解明を目指した解析を行い、養殖魚の摂餌を人為的にコントロールして商品価値の高い魚種の先進的な養殖・栽培技術の確立を目指した応用研究と実用化開発研究にもチャレンジしている。

【参考文献(総説のみを示す。最近執筆した原著論文は多数あるため、HPの「研究内容・業績」をご覧下さい。)】

1. Matsuda K. Recent advances in the regulation of feeding behavior by neuropeptides in fish. Ann. N. Y. Acad. Sci. 2009; 1163: 243-252.

2. Matsuda K, Kojima K, Shimakura SI, Takahashi A. Regulation of food intake by melanin-concentrating hormone in fish. Peptides 2009; 30: 2060-2065.

3. Matsuda K, Maruyama K. Regulation of feeding behavior by pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide (PACAP) and vasoactive intestinal polypeptide (VIP) in vertebrates. Peptides 2007; 28: 1761-1766.

4. Matsuda K, Kang KS, Sakashita A, Yahashi S, Vaudry H. Behavioral effect of neuropeptides related to feeding regulation in fish. Ann. N. Y. Acad. Sci. 2011; in press

5. Kang KS, Yahashi S, Matsuda K. Central and peripheral effects of ghrelin on food intake, locomotor activity and energy balance in teleost fish, peptides 2011;submitted.