雄マウスにおける腹側弓在（ventral subiculum、vsub）が覚醒を複数の経路を通じて促進する

背景紹介

腹側弓は、海馬構造の主要な出力領域であり、動機付け、ストレス統合、不安症状行動に重要な役割を果たします。これらの行動はすべて高次の覚醒状態に依存します。しかし、vsubが覚醒のメカニズムおよびその下位の神経回路については、ほとんど知られていません。体内光学繊維カルシウム測定技術と多チャネル電気生理記録を使用し、我々はvsubのグルタミン酸神経細胞が覚醒状態で高活性を示すことを発見しました。さらに、vsubのグルタミン酸神経細胞の活性化は覚醒と不安症状行動の増加、および睡眠状態から覚醒状態への迅速な移行を引き起こします。vsubグルタミン酸終末部の光遺伝学的刺激とvsubグルタミン酸神経細胞の逆行化学遺伝学的活性化により、vsubが内側視床下部（lateral hypothalamus, LH）、側坐核殻部（nucleus accumbens shell, NAc）、前頭葉皮質（prefrontal cortex, PFC）の経路を通じて覚醒を調節することが明らかになりました。にもかかわらず、ドーパミンD1およびD2/D3受容体遮断剤の局所微調整射は、vsub通路の化学遺伝学的活性化による覚醒効果を阻止しました。最終的に、vsubグルタミン酸性神経細胞の化学遺伝学的抑制により覚醒が減少しました。

出典紹介

この論文は、Xue-Fen Zhang、Yi-Dan Li、Yue Li、Ying Li、Dan Xu、Lin-Lin BiおよびHai-Bo Xuなどによって、《Neuropsychopharmacology》誌上で発表されました。論文の執筆は、Wuhan University Zhongnan Hospital Radiology Department、Nuclear Medicine Department、Pathology Department、Taikang Medical Schoolなどの研究者たちによる共同作業であり、2024年に公刊されました。

実験方法

1. 実験対象と動物の扱い： この研究では、180匹の8-20週齢の雄性C57BL/6マウス（体重20-30g）が使用されました。これらのマウスは北京Vital River実験動物技術有限公司で購入され、適切な温度、湿度、光周期の条件下で飼育されました。すべての動物実験のプロトコルは、武漢大学中南医院の実験動物福祉・倫理委員会（ZN2021159）の承認を得ています。

2. ウイルス注入と光ファイバー埋め込み: マウスはファルコニウム麻酔下で手術し、ステレオタキシック装置を使用してvsubにウィルスを注射しました。注入するウィルスには、AAV2/9-CaMKIIα-HM3Dq-mCherry, AAV2/9-CaMKIIα-HM4Di-mCherry, AAV2/9-CaMKIIα-ChR2-mCherryなどがあります。ウイルスの注入後、光ファイバーを植え込み、vsub内のグルタミン酸神経細胞のカルシウム活性およびEEG/EMG信号を記録しました。

3. 光ファイバーカルシウム測定と電気生理記録： 光ファイバーカルシウム測定システムと多チャネル電気生理記録システムを用いて、マウスの自己睡眠-覚醒サイクル中の神経活動を記録しました。光遺伝学や化学遺伝学的手法を用いてvsubのグルタミン酸神経細胞を活性化または抑制し、覚醒と不安症状行動におけるその役割を調査しました。

4. 行動実験： Open Field実験とElevated Plus Maze実験を用いて、マウスの不安症状行動を評価し、Real-time Place Preference実験を用いて避ける行動を評価しました。

5. ドーパミン受容体遮断実験: 睡眠-覚醒調節におけるDAシグナルの役割を探るために、ドーパミンD1受容体遮断剤SCH-23390またはD2/D3受容体遮断剤Racloprideを微注入し、化学遺伝学的に活性化されたvsub経路の覚醒効果を評価しました。

実験結果

1. vsubグルタミン酸ニューロンは覚醒時に高活性を示す: リアルタイムのカルシウム活動記録から、覚醒時と急速眼球運動（REM）睡眠時のvsubのグルタミン酸ニューロンの蛍光信号は、非REM（NREM）睡眠時の信号よりも著しく高いことがわかった。また、多チャネル電気生理学的記録も、覚醒時とREM睡眠時のvsub神経細胞の発火率がNREM睡眠時よりも高いことを示しています。

2. vsubグルタミン酸ニューロンの活性化は覚醒と不安症状行動を増加させる: 化学遺伝学的（HM3DqとCNO）および光遺伝学的（ChR2とブルーライト）活性化は、マウスの覚醒時間を有意に増加させ、NREMとREM睡眠時間を減少させます。行動実験の結果からは、vsubのグルタミン酸ニューロンの活性化がマウスの不安症状の行動と避ける行動に変化をもたらすことが示されました。

3. vsubはnac、lh、pfc経路を通じて覚醒を調節する: 光遺伝学的にvsubからnac、lh、pfcへ投射するグルタミン酸神経末端を活性化すると、それぞれがNREM睡眠から覚醒への迅速な移行を引き起こす。これらの投射路の化学遺伝学的特異的活性化により、vsub-glu-nac、vsub-glu-lh、vsub-glu-pfc経路が覚醒調節において果たす役割がさらに確認されました。

4. ドーパミンのシグナルはvsub経路により引き起こされる覚醒効果においてキーとなる役割を果たす: ドーパミン受容体のアンタゴニストを微注入すると、vsubの化学遺伝学的活性化により引き起こされる覚醒は阻害され、vsub覚醒調節におけるドーパミンシグナルの重要性が高まる。

5. vsubのグルタミン酸ニューロンは覚醒の維持に必要である: 化学遺伝学的に（HM4DiとCNO）vsubのグルタミン酸ニューロンを抑制すると、マウスの覚醒時間が有意に減少し、NREMとREM睡眠時間が増加します。

研究結論と意義

この研究では、vsubのグルタミン酸神経細胞が覚醒の調節に重要な役割を果たすことを明らかにし、また、nac、lh、pfcの賦役通路による覚醒の神経回路メカニズムを特定しました。研究結果は、vsub覚醒調節におけるドーパミンシグナルの中心的な役割を示し、また、vsubグルタミン酸神経細胞が覚醒を維持するために必要であることも示した。この研究は、睡眠-覚醒調節に関する新たな洞察を提供し、関連する睡眠障害の治療のための新たなターゲットを提供します。

ハイライトと価値

1. 新たな覚醒調節領域と神経回路を明らかにした: これは、vsubのグルタミン酸神経細胞が覚醒において重要な役割を果たし、そのvsubが覚醒調節においてnac、lh、pfcの異なる投射経路を通じて作用する機構を初めて明らかにしました。

2. ドーパミンシグナルは覚醒調節において重要な役割を果たす: ドーパミン受容体アンタゴニストがvsub経路の活性化による覚醒効果を阻止できることが示され、これは覚醒調節におけるドーパミンシグナルの重要性を証明しました。

3. 睡眠障害の新たな治療目標を提示した: この研究の発見は、vsubとその神経回路ベースの介入手法の開発の理論的基礎を提供し、不眠症および他の睡眠障害の治療の新たな戦略となり得る可能性を示しています。

この研究は、複数の機関からの研究チームによって共同で行われ、その内容は包括的で具体的である。この研究は、腹側弓が覚醒および不安症状行動における重要な役割とその基礎となるメカニズムを明らかにし、将来の関連研究の重要な参照となります。研究結果はFigShareデータベースに格納されており、研究データが公開透明であるため、研究の信頼性と再現性がさらに強化されました。