単一ニューロンプロジェクトームが明らかにするマウス脳における体性感覚上行路の組織

2025-05-02 Fri
単一ニューロンプロジェクトーム体性感覚上行路マウス脳ニューロンサブタイプ神経回路
学術的背景体性感覚系は、機械的、温熱的、痛み、かゆみなどの多様な感覚信号を処理する上で重要な役割を果たしています。これらの信号は、異なるタイプの末梢求心性神経を介して脊髄に伝えられ、複雑な処理と統合を経た後、脊髄投射ニューロン（Spinal Projection Neurons, SPNs）によって脳に伝達されます。SPNsは体性感覚系の重要なノードですが、脳内での投射パターンや具体的な機能はまだ完全には解明されていません。特に、単一のSPNsの投射パターンや、それらが脳内でどのように複雑な神経回路を形成するかは、神経科学分野における大きな課題です。
体性感覚系の神経回路をより深く理解するためには、SPNsとその脳内投射を高解像度でマッピングする必要があります。これまでの研究は主にバルクラベリング技術に依存しており、単一細胞レベルの解像度が不足していたため、個々のニューロンの投射の多様性を明らかにすることができませんでした。そこで、本研究では、単一ニューロンプロジェクトーム解析を通じて、マウス脳内の体性感覚上行路の高解像度神経回路図を構築し、SPNsと中枢中継ニューロンの投射パターンとその機能を明らかにすることを目的としています。
論文の出典本研究は、中国科学院上海神経科学研究所、華中科技大学、復旦大学などの複数の研究チームの協力によって行われ、主な著者にはWen-Qun Ding、Wei Song、Xiaoxue Shiらが含まれます。論文は2025年7月9日に『Neuron』誌に掲載され、タイトルは「Single-neuron projectome reveals organization of somatosensory ascending pathways in the mouse brain」です。
研究の流れ1. 単一ニューロンプロジェクトームの構築研究ではまず、逆行性ラベリング技術を用いて、マウスの頸椎脊髄中の785個のSPNsと1,464個の中枢中継ニューロンをスパースにラベリングしました。具体的な手順は以下の通りです：
ウイルス注射：scretro-AAV-Creウイルスをマウスの複数の標的脳領域（例えば視床、視床下部、中脳など）に注射し、その後、頸椎脊髄の背角にAAV-DIO-EYFPウイルスを注射してSPNsを標識しました。
イメージングと再構築：蛍光マイクロ光学断層撮影技術（Fluorescence Micro-Optical Sectioning Tomography, FMOST）を用いて、脳と脊髄の高解像度イメージングを行い、半自動トレーシングアルゴリズム「Fast Neurite Tracer」を使用してニューロンの完全な形態を再構築しました。
データ登録：再構築されたニューロンをAllenマウス脳共通座標系（Allen Common Coordinate Framework, CCFv3）と独自に構築した頸椎脊髄テンプレートに登録しました。
2. SPNsの投射パターンの分析研究者はSPNsの投射パターンを分析し、それらが視床下部、視床、中脳、橋、延髄などの領域に広く投射していることを発見しました。クラスタリング分析を通じて、SPNsは19の投射グループ定義のサブタイプに分類され、これらのサブタイプは多様な投射パターンを示しました。例えば、一部のサブタイプは主に視床に投射し、他のサブタイプは脳幹や中脳に投射していました。さらに、一部のSPNsが直接大脳皮質に投射していることも発見され、これはこれまで報告されていなかった現象です。
3. 中枢中継ニューロンの投射パターンの分析中枢中継ニューロンは、体性感覚信号を下流の脳領域に伝達する役割を担っています。研究では、AAV2/1-CMV-Creウイルスを注射して視床、橋などの領域の中継ニューロンを標識し、それらの完全な形態を再構築しました。その結果、視床中継ニューロンは主に感覚皮質、運動皮質、高次皮質に投射し、異なるサブタイプのニューロンは皮質内での投射パターンに顕著な違いがあることがわかりました。例えば、一部のサブタイプは主に一次感覚皮質に投射し、他のサブタイプは運動皮質や前頭前皮質に投射していました。
4. 平行および発散/収束投射パターンの分析研究では、体性感覚情報が脳内で伝達される際に、平行経路と発散・収束の投射パターンが存在することが明らかになりました。例えば、SPNsは異なる経路を通じて情報を視床と脳幹に伝達し、視床中継ニューロンは複数の平行経路を通じて異なる皮質領域に情報を伝達していました。さらに、脊髄-上丘-脳幹経路などの新しい平行経路も発見され、これらの経路は方向定位や防御行動の制御に関与している可能性があります。
主な結果SPNsの投射の多様性：研究では、SPNsの投射パターンが非常に多様であることが明らかになりました。単一のニューロンが複数の脳領域に同時に投射することが確認され、クラスタリング分析を通じてSPNsは19のサブタイプに分類されました。これらのサブタイプは脊髄内での分布と投射パターンに顕著な違いがありました。
中枢中継ニューロンの投射パターン：中枢中継ニューロンの投射パターンも多様であり、異なるサブタイプのニューロンは皮質内での投射パターンに顕著な違いを示しました。例えば、視床中継ニューロンは主に感覚皮質、運動皮質、高次皮質に投射していました。
平行および発散/収束投射パターン：研究では、体性感覚情報が脳内で伝達される際に、平行経路と発散・収束の投射パターンが存在することが明らかになりました。例えば、SPNsは異なる経路を通じて情報を視床と脳幹に伝達し、視床中継ニューロンは複数の平行経路を通じて異なる皮質領域に情報を伝達していました。
結論と意義本研究は、単一ニューロンプロジェクトーム解析を通じて、マウス脳内の体性感覚上行路の高解像度神経回路図を初めて構築しました。研究では、SPNsと中枢中継ニューロンの投射の多様性が明らかになり、新しい平行経路と投射パターンが発見されました。これらの発見は、体性感覚系の神経回路を理解するための重要な構造的枠組みを提供し、今後の体性感覚情報処理の神経メカニズムの研究の基盤となります。
研究のハイライト単一ニューロン解像度：本研究は、単一ニューロンレベルでSPNsと中枢中継ニューロンの投射パターンを初めて明らかにし、これまでの研究の空白を埋めました。
新しい平行経路：研究では、脊髄-上丘-脳幹経路などの新しい平行経路が発見され、これらの経路は方向定位や防御行動の制御に関与している可能性があります。
高解像度神経回路図：高解像度イメージングと再構築技術を通じて、体性感覚上行路の高解像度神経回路図が構築され、今後の研究において重要な参考資料となります。
その他の価値ある情報本研究のすべてのデータとコードは公開されており、研究者は関連ウェブサイトにアクセスしてこれらのリソースを取得し、さらなる研究を進めることができます。