神経血管カップリングと機能的脳画像（fNIRS）

🧠 全体像： 神経活動が高まると、その領域へ酸素と栄養を届けるため局所脳血流cerebral blood flow, CBF脳血流（cerebral blood flow, CBF）cerebral blood flow, CBF（脳血流）が増える。この神経血管カップリングneurovascular coupling神経血管カップリング（neurovascular coupling）neurovascular coupling（神経血管カップリング）を、ヘモグロビンの酸素化変化として頭皮上から連続測定する方法がfNIRSである。

神経血管カップリング

神経血管カップリングneurovascular coupling神経血管カップリング（neurovascular coupling）neurovascular coupling（神経血管カップリング）とは、神経活動によって局所血流が増加する現象である。

• 神経血管ユニットは、次の要素が一つの機能単位を形成する。
  • 血管内皮細胞vascular endothelial cell血管内皮細胞（vascular endothelial cell）vascular endothelial cell（血管内皮細胞）
  • ニューロン
  • グリア細胞neurogliaグリア細胞（neuroglia）neuroglia（グリア細胞）：アストロサイト、オリゴデンドロサイトoligodendrocyteオリゴデンドロサイト（oligodendrocyte）oligodendrocyte（オリゴデンドロサイト）、ミクログリアmicrogliaミクログリア（microglia）microglia（ミクログリア）
  • 血管周囲のペリサイトpericyteペリサイト（pericyte）pericyte（ペリサイト）と平滑筋細胞smooth muscle cells平滑筋細胞（smooth muscle cells）smooth muscle cells（平滑筋細胞）
• イオン、代謝産物metabolite代謝産物（metabolite）metabolite（代謝産物）、神経伝達物質、NO、プロスタグランジンなどの血管作動性メディエーターが血管応答を担う。
• ニューロンやアストロサイトからメディエーターが放出されると、血管拡張と局所血流増加increased blood flow血流増加（increased blood flow）increased blood flow（血流増加）が起こる。

flowchart TD
    A["神経活動が増加する"] --> B["グルタミン酸が放出される"]
    B --> C["ニューロンのNMDA受容体を刺激する"]
    C --> D["Ca²⁺が流入する"]
    D --> E["NO・プロスタグランジンが産生される"]
    E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='smooth muscle cells'>平滑筋細胞</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pericyte'>ペリサイト</span>が弛緩する"]
    F --> G["血管が拡張し、局所<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cerebral blood flow, CBF'>脳血流</span>が増加する"]

別経路では、グルタミン酸がアストロサイトの代謝型グルタミン酸受容体metabotropic glutamate receptor (mGluR)代謝型グルタミン酸受容体（metabotropic glutamate receptor (mGluR)）metabotropic glutamate receptor (mGluR)（代謝型グルタミン酸受容体）を刺激し、血管作動性メディエーターの放出を介して血管拡張と血流増加increased blood flow血流増加（increased blood flow）increased blood flow（血流増加）を起こす。

高血圧、アルツハイマー病Alzheimer's diseaseアルツハイマー病（Alzheimer's disease）Alzheimer's disease（アルツハイマー病）、虚血性脳卒中などでカップリングcouplingカップリング（coupling）coupling（カップリング）が障害されると、栄養素・O₂の供給と代謝最終産物の除去が低下し、脳内微小環境が不安定になる。

機能的近赤外分光法

• 神経活動に伴う局所血流変化は、PET、SPECT、fMRI、fNIRSで画像化できる。
• 機能的近赤外分光法functional near-infrared spectroscopy, fNIRS機能的近赤外分光法（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）functional near-infrared spectroscopy, fNIRS（機能的近赤外分光法）は、神経活動に伴う血液酸素化と血液量の変化を連続的に測定する。
• 光源から700〜900 nmの近赤外光を照射する。
• 近赤外光は組織を通過する際に一部が吸収・散乱され、検出器が光強度の低下を測定する。
• 測定した光強度から、発色団chromophore発色団（chromophore）chromophore（発色団）の濃度変化を推定する。
• 主な発色団chromophore発色団（chromophore）chromophore（発色団）は、酸素化ヘモグロビンHbO₂酸素化ヘモグロビン（HbO₂）HbO₂（酸素化ヘモグロビン）と脱酸素化ヘモグロビンdeoxyhemoglobin脱酸素化ヘモグロビン（deoxyhemoglobin）deoxyhemoglobin（脱酸素化ヘモグロビン）（Hb）であり、吸収が最大になる波長が異なる。
• Beer–Lambertの法則に基づき、総ヘモグロビン量HbO₂ + Hb総ヘモグロビン量（HbO₂ + Hb）HbO₂ + Hb（総ヘモグロビン量）から血液量変化を、両者の差から基準時点に対する酸素化変化を推定する。

長所と短所

主な応用

• 感覚野、運動野、視覚野、聴覚野auditory cortex聴覚野（auditory cortex）auditory cortex（聴覚野）、前頭皮質frontal cortex前頭皮質（frontal cortex）frontal cortex（前頭皮質）、言語中枢の活動評価
• 発達心理学研究
• てんかん発作、統合失調症schizophrenia統合失調症（schizophrenia）schizophrenia（統合失調症）、アルツハイマー病Alzheimer's diseaseアルツハイマー病（Alzheimer's disease）Alzheimer's disease（アルツハイマー病）の研究・評価