覚醒

青斑核でノルアドレナリンを放出するニューロンは、覚醒を維持する上で重要であることが示されている。 ^{[ 12 ] [ 13 ]}従来、この神経調節物質は、覚醒または注意力としても知られる警戒状態の根底にあると考えられてきた。ノルアドレナリンが覚醒に必要であるという結論は、ノルアドレナリンが覚醒と相関しているという事実、およびこの神経調節物質が脊髄運動ニューロンへの投射を介して睡眠からの感覚誘発性覚醒および覚醒中の運動に関与しているという証拠によって裏付けられている。^{[ 14 ]}

青斑核の活動は、ストレス、新しい刺激、または顕著な刺激によって最も高くなります。^{[ 15 ]}しかし、いくつかの研究では、この活動は覚醒には必要ではないことが示されています。このことから、一部の研究者は、青斑核からのノルアドレナリンは覚醒中の重要な行動（注意深さや反応性など）には必要かもしれないが、覚醒自体には必要ではないと結論付けています。^{[ 16 ] [ 17 ]}自発的な行動は健康な覚醒の基本的な特徴であるため、覚醒または覚醒関連行動におけるノルアドレナリンの必要性を判断することは、臨床的に重要な問題です。

傍腕核は、感覚情報と自律神経情報を皮質覚醒と統合して生理的ニーズを媒介します。感覚信号を前脳に伝達する上で非常に重要です。この領域のグルタミン酸作動性ニューロンの損傷は、永続的な昏睡状態を引き起こします。^{[ 18 ]}この領域のグルタミン酸作動性ニューロンは、外側視床下部、前脳基底部、および大脳皮質に投射します。^{[ 19 ]}これらのニューロンは主に覚醒時とREM睡眠時に活動します。^{[ 20 ]}

この領域のセロトニン作動性ニューロンは覚醒を促進します。これらのニューロンは、睡眠と覚醒状態に関与する脳領域と順方向および逆方向のシナプス結合の両方を持っています。縫線核は扁桃体、島皮質、前頭前皮質を神経支配しており、感情処理と動機付けを媒介することができます。^{[ 21 ]}初期の病変研究では、この領域からのセロトニンが睡眠に必要であると示唆されていました。しかし、2010年代半ばまでに、これらのニューロンは熱産生に不可欠であり、セロトニン枯渇による睡眠障害は低体温症の結果であることが確立されました。^{[ 22 ]}対照的に、縫線核のセロトニンが覚醒を促進することを示す証拠もあります。これに沿って、SSRIなどのセロトニンを増加させる薬は覚醒を増加させる傾向があります。^{[ 23 ]}

この領域のドーパミン作動性ニューロンは覚醒に関与し、覚醒を促進する。^{[ 24 ] [ 25 ]}これらのニューロンを損傷すると、覚醒が低下し、総睡眠時間が増加する。この領域のGABA作動性ニューロンも覚醒を促進する。^{[ 26 ]}

この領域のドーパミン作動性、グルタミン酸作動性、GABA作動性ニューロンは、覚醒時とレム睡眠時に最も活発に活動します。^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

腹側被蓋野には多くのドーパミン作動性ニューロンが存在する。これらのニューロンは報酬に深く関与している。この脳領域からのドーパミン放出は、顕著な刺激、つまり報酬や嫌悪感を与えるものへの注意を促進する。この脳領域のニューロンは覚醒時に発火率が増加しないため、一部の研究者はこの領域が睡眠と覚醒に関与していないと結論付けた。^{[ 31 ]}しかし、この領域のドーパミン放出ニューロンの化学遺伝学的阻害は、特に高い動機付け条件下で覚醒を低下させる。^{[ 32 ]}さらに、これらのニューロンの活動はニューロンの興奮性を変化させ、覚醒を促進する。^{[ 33 ]}アンフェタミンやニコチンなどの刺激剤は、この領域でのドーパミンの再取り込みを阻害することで覚醒を促進することが示されている。^{[ 34 ]}

基底前脳にはコリン作動性、グルタミン酸作動性、GABA作動性のニューロンが存在する。これらのニューロンは皮質を神経支配し、皮質の活性化を高めることで覚醒を促進する。この領域を刺激すると覚醒が促進される。^{[ 35 ] [ 36 ]}基底前脳の損傷は昏睡を引き起こす可能性がある。^{[ 37 ] [ 38 ]}

全体として、前脳基底部の神経活動は覚醒を促進する。^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}前脳基底部のニューロンのほとんどは、覚醒時とレム睡眠時の両方で最大限に活動する。コリン作動性ニューロンは、覚醒時とレム睡眠時に皮質の速いリズムで発火する。覚醒時には、この活動は注意、記憶、感覚処理、および皮質の可塑性に必要である。^{[ 42 ] [ 43 ]}コリン作動性前脳基底部ニューロンの選択的操作により、これらのニューロンは皮質の速い活動に必要であるが、おそらく覚醒自体には必要ではないことが示されている。対照的に、この領域のGABA作動性ニューロンは、皮質介在ニューロンを抑制することによって覚醒を誘発するのに十分である。^{[ 44 ]}限られた証拠は、グルタミン酸作動性前脳基底部ニューロンが皮質および覚醒促進性皮質下領域とのシナプス結合を介して覚醒を促進することを示唆している。^{[ 45 ] [ 46 ]}

歴史的に、視床下部のヒスタミンとオレキシン（ヒポクレチンとも呼ばれる）の役割は、睡眠と覚醒における役割で研究されてきた。^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}これらのニューロンは、覚醒と運動で活動することがわかった。^{[ 50 ] [ 51 ]}これらのニューロンは、青斑核ノルアドレナリン作動性ニューロンと腹側被蓋ドーパミン作動性ニューロンに投射し、覚醒を促進する。^{[ 52 ] [ 53 ]}

この脳領域でヒスタミンとオレキシンを産生するニューロンが覚醒に必要であるとは決定的に証明されていません。^{[ 54 ] [ 55 ]}これらのニューロンを損傷しても、覚醒と睡眠の量やタイミングに永続的な影響はほとんどありません。21世紀以降、これらの神経調節物質は最適でない条件下での覚醒をサポートするために重要であることが確立されています。 ^{[ 56 ] [ 57 ]}しかし、外側視床下部のオレキシン作動性ニューロンを損傷するとナルコレプシーを引き起こします。^{[ 58 ]}この状態は、睡眠状態と覚醒状態に費やす時間は正常ですが、これらの状態間の移行が不安定であることで定義されます。全体として、外側視床下部のニューロン、特にオレキシン産生ニューロン、そしてグルタミン酸作動性ニューロンとGABA作動性ニューロンは覚醒を促進します。^{[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]}これらのニューロンは脳幹、前脳基底部、中脳に多くの接続を持ち、その多くは覚醒を促進します。後外側視床下部の病変は眠気を引き起こしますが、これは皮質を活性化するグルタミン酸作動性ニューロンと睡眠促進回路を抑制するGABA作動性ニューロンによって説明できる可能性があります。^{[ 64 ] [ 65 ]}外側視床下部のGABA作動性ニューロンは特にノンレム睡眠からの覚醒を促進します。^{[ 66 ]}

視床は覚醒時と睡眠時の皮質振動に影響を与える。^{[ 67 ]}覚醒時と睡眠時の両方における皮質振動における視床の重要かつ相互に関連した役割は、神経科学研究において視床皮質振動と回路に関する頻繁な議論につながっている。

視床の損傷は意識を損なうが、覚醒睡眠状態にはほとんど影響を与えない。20 世紀の睡眠研究の基礎は損傷研究であったため、この結論により、覚醒における視床の役割に関する研究は 21 世紀まで遅れた。覚醒時には、視床皮質ニューロンは、青斑核のノルアドレナリン産生ニューロンや外側視床下部のオレキシン産生ニューロンなど、覚醒促進ニューロンからの興奮性入力を受ける。これらのニューロンは覚醒に十分であることが実証されている。従来、視床は脳の中継ステーション、つまり末梢神経系や下位脳領域からの多くの入力を上位皮質領域に「中継」するものと考えられてきた。2010 年代初頭から、視床に関する研究は、情報処理における視床の能動的な役割を強調している。この脳領域は、下流の感覚情報、脳幹ニューロン活動、前脳活動からの入力、および上流の皮質領域からのフィードバック接続を受け取るため、受動的な情報の中継ではなく、処理された情報の能動的な交換として機能するように位置づけられています。この脳領域は、覚醒に必要な下位脳領域から多くの入力を受け取り、覚醒を定義する新皮質領域に多くの入力を送るため、覚醒におけるこの脳領域の役割は活発な研究分野となっています。^{[ 68 ]}