寒いと体がふるえるのはどうして？

仕組みの科学

動物が体温を保つ仕組みは、大きく2つに分けられる。生理学研究所の温度生物学ハンドブックで中村和弘は、体温調節の様式には自律性体温調節と行動性体温調節があり、前者は不随意の自律生理反応を通じた体温調節、後者は随意の本能行動を通じた体温調節を指すと説明している。自律性体温調節は恒温動物では特に重要で、熱の放散と産生を調節することで体温を制御する。室温近辺では、熱の放射・伝導・対流による非蒸散性熱放散だけで体温を維持でき、この環境温度の範囲を温熱的中性域と呼ぶ。脳は交感神経を通じて皮膚の血流量を常時調節し、体表面から逃げる熱の量を変えている。中性域より高温の環境では、ヒトは発汗によって気化熱で体熱を放散する。逆に中性域より低温の環境では適応熱産生を起こし、体内で積極的に熱を産生して体温の低下を防ぐ。適応熱産生はふるえ熱産生と非ふるえ熱産生に分類される。ふるえ熱産生は体性運動神経を介した骨格筋のふるえを通じた熱産生反応であり、非ふるえ熱産生は主に交感神経を介した代謝の亢進による熱産生反応だ。非ふるえ熱産生を行う器官としては褐色脂肪組織がよく知られ、ネズミなどの小動物やヒトの乳幼児の体温維持に機能するだけでなく、最近では成人の体温・代謝調節にも重要であることが分かってきた。寒いときのふるえは、こうした体温調節の仕組みの中で、筋肉を使って熱を作る反応なのである。

歴史と発見

ふるえは誰もが経験する身近な反応だが、それを起こす脳の神経回路は長く分かっていなかった。京都大学は2011年5月31日、中村和弘（当時、学際融合教育研究推進センター特定助教）と米国オレゴン健康科学大学のショーン・モリソンによる研究グループが、寒冷環境下や発熱時に生じるふるえを起こす脳神経回路の仕組みを解明したと発表した。成果は英国の学術雑誌 The Journal of Physiology のオンライン速報版に2011年5月24日付で公開された。研究グループはラットを用いた実験で、皮膚を冷やすことや脳内に発熱物質を投与することで生じる骨格筋のふるえが、脳内の視床下部背内側核あるいは延髄の淡蒼縫線核と呼ばれる部位の神経細胞の活動を抑制すると消失することを見いだした。また、皮膚冷却によるふるえは、脳内の体温調節中枢である視索前野の働きを阻害することによっても起こらなくなった。これらの結果は、ふるえを起こす指令の信号が、体温調節中枢の視索前野から視床下部背内側核および淡蒼縫線核を経て脊髄の運動神経へ伝えられ、骨格筋が震えることを示している。平常時は視索前野の神経細胞が視床下部背内側核を持続的に抑制しているが、皮膚からの冷たさの情報が視索前野に届くと、その抑制が解除されて信号が流れ出す。ふるえのスイッチは、脳の奥にある小さな領域の抑制と解除で入っていたのだ。

もう一歩先

京都大学の発表で興味深いのは、ふるえの神経経路が、同じグループがそれまでに明らかにしてきた褐色脂肪組織の非ふるえ熱産生を起こす神経経路と近接し、並行して存在していたことだ。通常、寒いときにはまず体温調節中枢からの神経経路が交感神経を介して、意識とは関係なく非ふるえ熱産生を起こして体温を維持する。それでもまだ多量の熱を作る必要があるほど寒いときには、ふるえの神経経路が働き出し、しゃべる、歩くといった随意運動を犠牲にしても骨格筋を震わせて熱を作るように働くと考えられている。寒さで歯がカチカチ鳴ってうまく話せなくなるのは、生命の維持を優先した体の判断というわけだ。熱を作ることはエネルギーの使い方の問題でもある。生理学研究所のハンドブックで山田哲也は、個体の体重はエネルギー摂取とエネルギー消費のバランスで規定され、エネルギー消費は基礎代謝60％、適応性熱産生10％、身体活動30％からなると説明している。適応性熱産生には寒冷誘発性熱産生と食事誘発性熱産生があり、環境温度の低下に対応して体温を保つ寒冷誘発性熱産生は、骨格筋によるふるえ熱産生と褐色脂肪組織による非ふるえ熱産生によって担われている。つまり寒い日にふるえて作った熱は、食べ物から得たエネルギーを使って作られている。褐色脂肪組織が成人の代謝調節にも重要だと分かってきた今、研究はさらに続いている。