マウス蝸牛における聴覚遠心ニューロンとII型螺旋神経節求心性ニューロン間のGABA作動性シナプス

背景紹介

聴覚システムの複雑さと精密さは、神経科学研究において重要なテーマです。蝸牛は聴覚システムの主要な構成要素であり、その内部の細胞やニューロン間の相互作用が聴覚機能の実現に不可欠です。外有毛細胞（outer hair cells, OHCs）は電気運動特性によって音信号を増幅し、聴覚感度と周波数調整を向上させます。OHCsは内側オリボコクレア（medial olivocochlear, MOC）遠心ニューロンからのコリン作動性フィードバックを受け取りつつ、II型螺旋神経節ニューロン（type II spiral ganglion neurons, SGNs）を介して脳幹へ情報を伝達します。しかし、OHC領域内のニューロン間の相互作用機構、特にGABA（γ-アミノ酪酸）の役割については完全には解明されていません。

これまでの研究では、MOCニューロンがアセチルコリン（acetylcholine, ACh）だけでなくGABAも放出する可能性が示されています。しかし、GABAが蝸牛内で果たす具体的な機能とそのメカニズムは依然として不明です。本研究は、MOCニューロンとII型SGNs間にGABA作動性シナプスが存在するかを探り、それが蝸牛機能にどのような役割を果たしているかを明らかにすることを目指しています。

論文の出典

本論文はJulia L. Bachman、Siân R. Kitcher、Lucas G. Vattinoらが共同執筆し、米国国立衛生研究所（NIH）の国立聾唖・他のコミュニケーション障害研究所（NIDCD）およびアルゼンチンの国家科学技術研究評議会（CONICET）などの機関から発表されました。論文は2025年2月18日に『米国科学アカデミー紀要』（PNAS）に「GABAergic synapses between auditory efferent neurons and type II spiral ganglion afferent neurons in the mouse cochlea」というタイトルで掲載されました。

研究の流れ

1. 実験設計と方法

本研究では、光学的神経伝達物質検出法、免疫組織化学、およびパッチクランプ電気生理学的手法を組み合わせて、MOCニューロンとII型SGNs間のGABA作動性シナプスを包括的に解析しました。具体的な手順は以下の通りです。

a) 免疫組織化学実験

研究者たちはChat-IRES-Cre; tdTomatoマウスモデルを使用し、GABA合成酵素（glutamic acid decarboxylase, GAD）およびシナプス前マーカー（synapsin）を免疫染色することで、MOCニューロンがGABA作動性を持つかどうかを確認しました。実験対象は出生後5日目（P5）から20日目（P20）までのマウス蝸牛組織であり、40倍または60倍のレンズを用いてNikon A1R倒立顕微鏡で撮影され、Nikon Elementsソフトウェアで分析されました。

b) パッチクランプ電気生理学実験

研究者たちはP11-13マウスの蝸牛頂端から分離したOHCsに対して全細胞電圧クランプ記録を行い、MOCニューロン軸索を電気刺激してOHCsのシナプス後電流（postsynaptic currents, PSCs）を記録し、GABA B受体（GABA B receptor, GABA BR）による神経伝達物質放出の調節効果を評価しました。さらに、P3-10マウスのII型SGNs樹状突起に対するパッチクランプ記録を通じて、GABA A受体（GABA A receptor, GABA AR）媒介反応についても調べました。

c) 光学的神経伝達物質検出

研究者たちは後半規管にアデノ随伴ウイルス（adeno-associated virus, AAV）を注射し、GABA光学インジケーター（iGABASnFR）をII型SGNsに発現させました。共焦点顕微鏡を使用してMOCニューロン軸索から放出されるGABAを検出し、電気刺激技術と組み合わせてGABAの放出ダイナミクスを研究しました。

2. 実験結果

a) MOCニューロンのGABA作動性特性

免疫組織化学実験により、MOCニューロン軸索末端は出生後7日目（P7）にすでにGAD免疫陽性を示し、聴覚形成前後（P9-P20）にも安定して存在することが分かりました。GADとシナプス前マーカーsynapsinの共局在は、MOCニューロンがGABA作動性特性を持つことを示しています。

b) GABA B受体によるMOC神経伝達物質放出の調節

パッチクランプ実験では、GABAがMOC軸索末端のGABA B受体を活性化することで、P/Q型電位依存性カルシウムチャネル（voltage-gated calcium channels, VGCCs）を通じたカルシウムイオン流入を減少させ、AChの放出を抑制することが示されました。このメカニズムはMOC-IHC（内有毛細胞）シナプスの調節メカニズムと類似しています。

c) MOCニューロンからのGABAのII型SGNsへの放出

光学的検出実験では、MOCニューロン軸索を電気刺激すると、II型SGNs中のiGABASnFR蛍光信号が増加し、GABAがMOC軸索から放出され、II型SGNsに拡散していることが示されました。この現象は聴覚形成前後でも観察されました。

d) II型SGNsのGABA A受体媒介反応

パッチクランプ記録では、外因性のGABAがII型SGNsに電流反応を誘発し、この反応はGABA A受体拮抗薬であるgabazineによって阻害されました。電流-電圧関係実験により、GABAがイオン型GABA A受体を介した塩素イオンチャネルを通じて作用することがさらに確認されました。

3. 研究結論

本研究は、MOCニューロンとII型SGNs間に機能的なGABA作動性シナプスが存在することを初めて実証しました。GABAはGABA B受体を通じてMOCニューロンの神経伝達物質放出を調節するだけでなく、GABA A受体を通じて直接II型SGNsに作用し、その活動に影響を与えます。この発見は、蝸牛内の複雑なニューロンネットワークを明らかにし、聴覚システムの精密な制御に関する理解を深める新たな視点を提供します。

研究の意義とハイライト

1. 科学的意義

本研究は、MOCニューロンとII型SGNs間のGABA作動性シナプスを初めて明らかにし、蝸牛内のニューロン間相互作用メカニズムに関する研究の空白を埋めました。この発見は、蝸牛内の神経調節ネットワークの理解に重要な手がかりを提供します。

2. 応用価値

GABA作動性シナプスの存在は、聴覚機能の発達および調節にとって重要である可能性があります。例えば、GABA作動性シグナルは蝸牛ニューロンの発達過程で重要な役割を果たす可能性があり、あるいはOHC活動を調節することで聴覚感度に影響を与えるかもしれません。さらに、この発見は聴覚疾患治療の新しいターゲットとなる可能性があります。

3. 研究のハイライト

• 新規の実験手法：光学的神経伝達物質検出、免疫組織化学、およびパッチクランプ電気生理学的手法を組み合わせ、GABA作動性シナプスの機能を包括的に解析。
• 重要な発見：MOCニューロンとII型SGNs間のGABA作動性シナプスを初めて実証し、それが蝸牛機能に果たす役割を明らかに。
• 広範な応用可能性：聴覚システムの発達、機能調節、および関連疾患の研究に新たな方向性を提供。

その他の価値ある情報

本研究の実験データ、免疫組織化学画像、および光学GABAインジケーター画像は公開されており、Dryadデータベース（DOI: 10.5061/dryad.2rbnzs80g）からアクセス可能です。また、研究チームはJanelia研究キャンパスのGenieプロジェクトチームが提供したiGABASnFRプラスミド、およびNIH医学芸術部門のAlan Hoofring氏が描いたシナプス模式図に感謝の意を表しています。

本研究は多様な技術を統合的に活用し、MOCニューロンとII型SGNs間のGABA作動性シナプスを明らかにすることで、聴覚システム研究に新たな領域を開拓しました。