独立行政法人理化学研究所分子イメージング科学研究センター（以下、理研CMIS）の分子プローブ機能評価研究チーム（尾上浩隆チームリーダー）の水間広研究員らは、マウスの脳の活動を生きたまま無麻酔の状態でPETイメージングする方法を世界に先駆けて確立しました。

病院などでPET（陽電子断層撮影装置）やfMRI（機能的磁気共鳴画像診断装置）などの生体イメージング検査を行う際には、撮像中に体の動きがあると良質な画像を得ることができないことから、検査を受ける人は体を動かさないようにと指示されるのが一般的です。動物実験ではヒトのように指示することができないため、撮像中は麻酔薬を使って動物を眠らせて動かないようにして撮影します。しかし、麻酔薬は眠ることによって意識のレベルを低下させるだけでなく、脳や全身の血流、心拍数、体温など、すべての機能に影響を及ぼすことから、生体本来の機能を正しく知るためには、ヒトと同じように意識のある状態で測定することが必須となります。この問題を受けて、分子プローブ機能評価研究チームらはこれまでに霊長類のマカクサルやマーモセットに対して、麻酔薬を使わない無麻酔の状態でのPETイメージング法を世界に先駆けて確立し、脊髄損傷後のリハビリテーションの脳内機構やセロトニントランスポーターの生理的な活性分布について世界で初めて明らかにしてきました。げっ歯類のマウスは、他の哺乳類の実験動物と比較して小型で扱いやすく、また、遺伝子操作が容易であることから、アルツハイマー病モデルマウスなど様々な遺伝子改変モデル動物が作製され、多くの病態研究に使われています。しかし、その小ささゆえに、PETでの高精度の測定は難しく、しかも脳の細部を観察し機能を調べることは不向きであると考えられており、がんの研究以外にはあまり用いられていませんでした。本研究では、侵襲性の低いユニークな頭部固定法を開発し、PETによる無麻酔状態のマウスの脳機能を観察するための精度の高いイメージング法が確立されました。

図1 無麻酔下でのマウス脳PETイメージングシステム 無麻酔下でのPETイメージングを行うため、撮像中に頭部が動かないようにする固定装置を独自に開発しました。また、ストレスによる影響を軽減するために、[18F]FDGの自動投与装置を付けるなどの様々な工夫がなされており、無麻酔下で生理的な状態での脳内グルコース代謝を測定することに成功しました。

図2　マウスの脳のPETおよびオートラジオグラフィ画像 無麻酔（上段）と麻酔使用（下段）時におけるマウスの脳内グルコース代謝を表しています。赤色はグルコース代謝が盛んなところであり、麻酔により脳全体的に[18F]FDGの取り込みが著しく低下していることがわかります。また、PET実験終了後に脳を摘出してオートラジオグラフィを行った結果、今回のPET画像が、大変精度の高いものであることが示されました。

図1は、今回開発された無麻酔下でのマウスの脳機能イメージングを行うのに必要な頭部固定装置を示しています。この装置を使って、脳神経活動を反映するグルコース代謝をPETで測定しました。脳のグルコース代謝を解析するためには、グルコースの類似化合物をポジトロン核種のひとつである¹⁸F（フッ素18）で標識したフルオロデオキシグルコース（以下、FDG）を用います。撮像中に動物に与えるストレスを出来る限り抑えるために、様々な条件を検討した結果、マウスが普段過ごしている飼育ケージ内の状態とほぼ同じ生理的な状態での脳神経活動を、この装置内で観察することに成功しました（図2）。本装置を使って、無麻酔下での脳神経活動を、普段、実験でよく使われている麻酔薬であるイソフルレンを用いた麻酔下のそれと比較すると、イソフルレン麻酔下での脳組織中のグルコース利用率は無麻酔下よりも著しく低下していることが改めて確認され、この原因として、グルコースを血液から脳組織へ輸送する機能（K₁）ではなく、神経細胞内でグルコースをリン酸化してエネルギー利用する機能（k₃）が低下していることが示されました（図3）。

図3　[18F]FDG-PETによるマウスの脳内グルコース動態解析 無麻酔（青）と麻酔使用（赤）時におけるマウスの脳内グルコース動態について詳細に解析したところ、麻酔の使用によるグルコース消費率（cMRglu、図左）は、無麻酔時に比べて、思考などを司る大脳皮質で低下し、小脳ではあまり差がありませんでした。また、大脳皮質活動の麻酔による抑制は、グルコースを血液から脳へと輸送する機能（K1値、図中央）ではなく、神経細胞内でグルコースをリン酸化して利用する機能（k3値、図右）が麻酔により低下しているためであることが明らかになりました。