マウスの特定の眼窩前頭皮質ニューロンの入力と出力の全脳マッピング

マウスの脳研究は神経科学の重要なテーマであり、特に眼窩前頭皮質（orbitofrontal cortex, ORB）の研究が注目されています。ORBは報酬処理、意思決定、行動の柔軟性、および情動調節において重要な役割を果たします。近年では、ORBの機能障害が抑うつ症、強迫症、物質使用障害などの多くの精神および神経疾患と関連していることがわかってきました。ORBの研究を通じて、科学者たちは正常および病理的状態におけるその機能を深く理解することを目指しています。

本文は、中心著者のYijie Zhang、Wen Zhang、Lizhao Wangらによって執筆され、中国科学院脳科学と知能技術卓越イノベーションセンター、復旦大学脳科学と脳インスパイアード知能技術研究センター、華中科技大学蘇州脳マップ研究院の研究者たちが共同で完了しました。本研究は2023年12月の《Neurosci. Bull.》に掲載されました。

研究背景と動機

まず、著者たちは、ORBのニューロンが大脳皮質、視床、扁桃体、線条体、視床下部などの複数の脳領域に投射していると指摘しました。異なる投射特定のORB経路は機能的に顕著な違いを示します。例えば、ORBから次運動野（MOS）への投射は学習された動作-結果の連合を媒介し、背側線条体への投射は価値の変化に基づく行動の指導において重要な役割を果たします。

既存の研究では逆行性軸索トレーサーを使用してORBの皮質および視床からの入力を調査しましたが、投射特定のORBニューロン入力パターンはまだ明確ではありません。さらに、ORBは側眼窩（ORB-L）、中眼窩（ORB-M）、腹側外眼窩（ORB-VL）などの複数のサブエリアに分かれています。異なるサブエリアの機能的異質性は行動学、薬理学、生理学、光遺伝学/化学遺伝学の方法によって明らかにされていますが、特定のORBサブエリアをターゲットにした特定の抑制性ニューロンの分布についてはさらに研究が必要です。

研究方法とプロセス

研究者たちはマウス脳の全脳マッピングを行い、五種類の投射特定のORBニューロンの入力、及び二種類の抑制性ニューロンに対するORB出力を明らかにしました。

動物モデルとウイルス注射

研究では成体（2-4ヶ月）の雄性マウス（C57BL/6、PV-Cre、SST-Creおよび雑種系統）を用い、特定の脳領域にウイルスを注射してニューロンの接続をトレースしました。手術時にマウスを麻酔し、小動物ステレオタックス装置に固定し、左半球のウイルス注射部位で開頭しました。

ウイルス戦略

研究者たちは逆行性単シナプストレーシング技術と順行性トランスシナプスウイルストレーシング技術を使用し、Visp、VTA、BLA、CP、およびMOSの五つの脳領域にウイルスを注射しました。逆行性ウイルスと補助ウイルスを混合注射することで、特定の投射ORBニューロンを標識し、これらのニューロンが特定の受容体とタンパク質を発現させ、その後、修飾された狂犬病ウイルスを注射し、受容体を発現するORBニューロンに感染させシナプス前細胞に逆行性に伝播させました。

特定のニューロン投射の機能的接続を確認するために、研究者たちは光遺伝学技術を用い、特定の脳領域の軸索終末をレーザー刺激し、シナプス後細胞の電気生理学的応答を記録しました。

データ分析

データの処理と分析には、スライスの準備、記録、組織学的処理、および全脳スライスのイメージングと定量化が含まれます。すべてのデータは、カスタムソフトウェアパッケージを使用して分析され、画像登録、シグナル検出、および定量化/可視化モジュールによって処理されます。

マッピングの過程で、研究者たちはスライスを固定した後、50μmの厚さに切片し、顕微鏡でイメージングを行い、最終的に画像をAllenマウス脳地図に一致させ、標識された細胞の位置を手動で検出および定量しました。

統計分析

実験データは入力と出力の割合を確認するために分析されます。研究ではGraphPad Prismを使用して統計分析が行われ、反復測定された分散分析（ANOVA）とWilcoxon符号順位検定で有意性が判定されました。

主な研究結果

投射特定のORBニューロンの全脳入力

研究では、投射特定のORBニューロンが主に大脳髓質および視床からの入力を受けていることがわかりました。異なる投射タイプのORBニューロンが受け取る入力は似ているものの、特定の領域では数量的に差異があります。具体的には、MOS投射ニューロンはMOSからの入力をより多く受け取り、BLA投射ニューロンは初級運動皮質からの入力を多く受け取っていました。

特定のORBサブエリアからの抑制性ニューロンへの出力

順行性トランスシナプスウイルストレーシング技術を用いて、研究者たちはORBサブエリアのニューロンがPVおよびSST抑制性ニューロンに対してどのように出力しているかを明らかにしました。研究によると、ORBニューロンは多くの脳領域にわたってPVおよびSSTニューロンをターゲットにしており、ORBの三つのサブエリア間で顕著な差異が見られます。特にORB-MのニューロンはSSTへの投射がより顕著であり、特に感覚領域、海馬、扁桃体、視床下部外側区において顕著でした。

結論と意義

この研究により、投射特定のORBニューロンの全脳入力および各ORBサブエリアのニューロンが抑制性ニューロンに対してどのように出力するかが明らかになりました。これにより、将来のORB回路の機能構造に関する研究のための重要な解剖学的基礎が提供され、報酬連関、学習および柔軟な行動における役割の理解に重要な意義を持っています。

特に、この研究ではORBから特定の抑制性ニューロンへの投射が神経処理および行動の調節における機能的異質性を持つ可能性を強調しています。例えば、ORBはRTのPV（またはSST）ニューロンと直接的な単シナプス興奮性接続を形成し、今後の研究でORB回路が知覚決定行動にどのように関与するかを明らかにするかもしれません。

研究のハイライト

この研究のハイライトは以下の通りです： 1. 広範な入力出力マッピング：五種類の投射特定のORBニューロンの入力および三種のORBサブエリアの出力を明らかにし、包括的な解剖学データを提供。 2. ニューロン機能接続の検証：全脳スライスイメージングおよび電気生理学的光遺伝技術を通じて、ORBニューロンと特定の抑制性ニューロンの機能的接続を検証。 3. 多様な研究方法：ウイルストレーシング、組織学的イメージング、データ分析および光遺伝学を組み合わせることで、包括的な研究プロセスサポートを提供。

未来の研究方向

本研究は、ORB回路が特定のタスクや行動にどのように関与するかを深く探るための基礎を提供しています。将来の研究では、ORBとPVおよびSSTニューロンの特定行動における機能的接続をさらに探求し、認知機能および病理状態におけるORBの役割をよりよく理解することができるでしょう。この研究は、マウス脳におけるORBの機能構造理解に対する豊富な解剖学的実験証拠を提供し、重要な科学的および応用的価値を持っています。