温かさや冷たさを感知できるのは皮膚だけではなく、歯も

著者：名古屋大学 陳 秀瑞

歯の表面は硬いエナメル質の層で覆われており、内部の組織を保護し、食べ物を噛む能力を高めます。このエナメル質の層は歯の鎧のようなものです。鎧の下の組織に触れない限り、酸味、甘味、苦味、辛味、冷たさ、熱さは歯で簡単には感知されません。しかし、細菌や酸性物質によって歯のエナメル質が腐食し、内部が露出し、さらに空洞が形成されてしまうと、いわゆる「虫歯」となり、歯は非常に敏感になってしまいます。

これは誰もが持っている常識ですが、なぜ歯がさまざまな刺激に反応するのか、その過程で人体にはどのような素晴らしい生化学的変化が起こるのかなど、さらに深く掘り下げていくと、残念ながら誰もまともな答えを出すことはできないでしょう。

最近、「Science Advances」に掲載された記事で、上記の質問に対する予備的な見解が示されました。私たちの歯には冷たさやその他の刺激を感知できる完全なシステムがあり、虫歯患者の多くがアイスクリームを食べると痛みを感じるのはこのためであることが判明しました。

実は、歯だけではなく、人体にはさまざまな温度センサーが分布しています。収集した体温情報は脳内の体温調節中枢に報告され、体温調節中枢は身体に適切な反応を指示します。このシステムの複雑さと洗練さは、あらゆる種類のハイテクセンサーやロボットを簡単に上回ることができ、人々はまさに進化の魔法に驚嘆するばかりです。

人体の体温調節システムは歯だけではなく、体全体に広がっています

まず、歯以外の人間の組織がどのようにして周囲の温度変化を感知し、体温を一定に保っているのかを見てみましょう。人体の体温調節システムは、温度受容器、温度調節中枢、そしてそれによって制御される汗腺や皮膚血管などの3つの部分に分けられます。このシステムには個人差があり、寒さを怖がる人もいれば、暑さを怖がる人もいます。

体温調節の第一歩は温度の感知です。人間の皮膚、粘膜、腹部の内臓などには無数の温度受容器が分布しており、寒さや暑さによって刺激されると神経インパルスを発生させ、脳に脈拍信号を送ります。これらの受容体は異なる温度範囲に反応するため、人体表面の感覚は冷たい、涼しい、暖かい、暑いの 4 種類に分けられます。

たとえば、温度受容器は、表皮の顆粒層にある毛包の根鞘の周囲にネットワーク状に分布する自由神経終末です。皮膚温度が約35度になると、温度受容器が最も敏感になり、人体は暖かく感じます。一方、冷感受容器は皮膚の浅い層に位置する小さな円柱状の球体です。最も活発になるのは皮膚温度が30度前後のときで、人体は寒さを感じます。

これらの温度受容体の生物学的性質は、実際には特殊なイオンチャネル、つまり一過性受容体電位チャネル (TRP チャネル) です。異なる温度範囲内で、対応するイオンチャネルが開き、電気信号と化学信号の相互変換を通じて、神経インパルスが最終的に視床下部の体温調節中枢に伝達され、対応する温度を感知できるようになります。

体温調節中枢は熱産生中枢と熱放散中枢に分かれています。一時的な冷たさや温かさの感覚刺激を受けた後、刺激信号を統合し、骨格筋、皮膚の血管、汗腺などを調節して、熱産生と熱放散のプロセスを促進または抑制し、体温を一定に保ちます。周囲の温度が低い場合、興奮した冷感受容器が熱産生中枢に神経インパルスを伝達し、その結果、骨格筋の緊張が高まり、熱産生が増加します。同時に、熱放散中枢が抑制され、皮膚の血管が収縮し、汗腺の分泌が止まり、熱放散が減少します。逆に、周囲の温度が非常に高い場合、熱受容器と熱放散中枢が興奮し、冷受容器と熱産生中枢が抑制されるため、皮膚の血管が拡張し、汗腺からの分泌量が増加します。

痛みであれ温度であれ、人体の感覚システムは非常に異なっている

体温と同様に、痛みもバイタルサインの重要な部分です。人体は痛みを利用して病気や外傷を警告し、体を守ります。痛みの受容器は、皮膚、筋肉、関節などの体表層だけでなく、内臓などの深層にも分布しています。これらは自由神経終末で構成されていますが、温度変化などの物理的刺激に反応して神経インパルスを生成するのではなく、損傷した組織から放出される化学物質からの刺激を受け取るという点で、温度センサーとは少し異なります。

身体が有害な刺激にさらされると、組織が損傷し、損傷した細胞から特定の化学物質（プロスタグランジン、ブラジキニン、5-ヒドロキシトリプタミン、H+、K+など）が放出され、それが痛みの受容体を刺激し、続いて求心性インパルスを発生させ、この信号を第1感覚野、第2感覚野、および皮質の他の部分に送り、痛みを引き起こします。

奇跡のタンパク質が歯の冷たさを感知するのを助ける

季節の変わり目では気温に合わせて衣服を着たり脱いだりできますが、歯は寒さや暑さを感じて痛みを感じることがよくあります。これは実際には「計り知れない」話題です。たとえば、なぜ歯が温度信号を痛み信号に変換するのか、その理由を答えるのは私たちにとって困難です。この新しく発表された論文では、研究者らは歯が冷たさを感知するシステムに関与する分子と細胞について説明しています。研究者らは、象牙芽細胞には温度低下を感知し、最終的に脳内で知覚された寒さを痛みに変換できる冷たさに敏感なタンパク質TRPC5とTRPC1が含まれていることを発見した。

この研究の難しいところは、歯の内部組織を理解するためには、内部の歯髄、神経、血管を傷つけずにエナメル質を破壊しなければならないことです。しかし、エナメル質が剥がれ落ちると歯全体が砕けてしまうため、研究者らは巧妙な方法を使ってこの実験観察の問題を解決した。彼らは顎骨、歯、歯神経全体を使用して、歯が冷たい液体に接触した後の神経活動を記録しました。

この研究では、正常対照群では冷たさの刺激によって神経活動が活発化し、歯が冷たさを感知していることがわかった。しかし、歯にTRPC5冷感タンパク質が欠けている実験群では、同じ刺激でも神経興奮は起こらなかった。つまり、TRPC5 は寒さを感知するための重要な経路です。さらに、TRPC1 にも同様の効果があります。

その後、研究者らはTRPC5を象牙芽細胞から分離し、1つの細胞上に大量のTRPC5を発現させた。このプロセスは、特定の細胞内の TRPC5 含有量を大幅に増加させることだと理解できます。その結果、研究者たちは、この細胞が冷刺激に非常に敏感で、刺激信号をより速く脳に伝達し、脳内で痛みの感覚に変換できることを観察しました。

研究者らは、この研究の発見は歯が冷たさを感知する分子メカニズムの解明にとどまらないと示唆している。同時に、TRPC5 低温感受性タンパク質は間違いなく優れた分子標的として機能する可能性があります。 TRPC5経路をブロックまたは阻害することで、歯の知覚過敏や歯痛によって引き起こされるトラブルを軽減することができます。もちろん、このアイデアが現実のものとなるためには、科学者によるさらなる研究開発が必要です。

本質的に、人体のさまざまな身体的兆候の調節は化学システムの利用です。細胞膜の内外の化学物質の濃度差が十分に大きい場合、電荷の変化は電気信号の形でニューロンを通じて司令官として機能する中枢神経系に素早く伝達されます。この信号を受け取った中枢神経系は情報を統合・処理し、現在の環境において人体がどのような対策を取るべきかを判断します。

人間の感覚システムにとって、それぞれの信号は特定のプロンプトとなります。春の暖かさや夏の涼しさを感じ、人生の甘さ、苦さ、辛さを味わうことができます。さらに重要なのは、私たちの豊かな感覚が病気を早期に発見し、抵抗するのに役立つことです。