音処理のための並列トノトピック配列視床皮質回路

神経内科学 医学
視床皮質回路 音処理 トノトピック配列 マウス研究 神経科学

哺乳類の脳において、聴覚知覚は視床から皮質への情報伝達に依存しています。長い間、内側膝状体（medial geniculate body, MGB）は聴覚視床の主要なハブと見なされ、音声信号を聴覚皮質（auditory cortex, Auc）に伝える役割を担ってきました。しかし、MGB以外にも他の視床入力がこのプロセスに関与しているかどうかは未解決のままでした。この問題を解決するために、研究者たちは視床の腹内側核（ventromedial nucleus of the thalamus, VM）の領域、特にその基底部分（basal region of the ventromedial nucleus, BVM）が聴覚情報処理に関与しているかどうかを探りました。

論文の出典

この論文はZhikai Zhao、Xiaojing Tang、Yiheng Chenらによって共同で執筆され、彼らは重慶大学、第三軍医大学、広西大学などの複数の研究機関に所属しています。この研究は2025年6月18日にNeuron誌に掲載され、タイトルは《A Parallel Tonotopically Arranged Thalamocortical Circuit for Sound Processing》です。

研究の流れ

1. BVMから聴覚皮質への投射の特定

研究はまず、コレラ毒素B（cholera toxin B, CTB）をマウスの聴覚皮質に注入する蛍光逆行性トレーサー技術を用いて、BVM領域に大量のニューロンが聴覚皮質に投射していることを発見しました。これらのニューロンは主に視床の基底部分に位置し、これらの投射は周波数チューニング（frequency tuning）特性を持ち、聴覚皮質の音調トポグラフィーマップ（tonotopic map）と一致していました。

2. BVM投射の機能検証

BVM投射の機能を検証するために、研究者たちはケモジェネティクス（chemogenetics）手法を用いてBVMニューロンの活動を抑制しました。その結果、BVM投射を抑制すると、聴覚皮質ニューロンの音に対する反応が著しく低下し、マウスの音の周波数識別タスクでのパフォーマンスが損なわれることが示されました。特に周波数が近い音（例えば0.25オクターブ間隔）の識別タスクでは、マウスのパフォーマンスが顕著に低下しました。

3. BVM投射の周波数チューニング特性

2光子カルシウムイメージング（two-photon calcium imaging）技術を用いて、研究者たちは聴覚皮質内のBVM軸索の活動を記録しました。その結果、BVM軸索は特定の周波数の音に対して強いチューニング特性を示し、これらのチューニング特性は聴覚皮質の音調トポグラフィーマップと一致していました。これは、BVM投射が聴覚情報処理において周波数選択性を持っていることを示唆しています。

4. BVM投射のシナプスターゲット

BVM投射のシナプスターゲットを特定するために、研究者たちはオプトジェネティクス（optogenetics）と全細胞パッチクランプ記録（whole-cell patch-clamp recording）技術を用いて、BVM軸索が主に聴覚皮質第1層のニューロン由来神経栄養因子陽性（neuron-derived neurotrophic factor-positive, NDNF+）介在ニューロンと興奮性シナプスを形成していることを発見しました。これらの介在ニューロンは皮質ニューロン活動の調節において重要な役割を果たしています。

5. BVM投射の行動学的意義

最後に、研究者たちは行動学実験を通じてBVM投射の機能をさらに検証しました。彼らは、BVMニューロンの活動を抑制すると、マウスの聴覚識別タスクでのパフォーマンスが顕著に低下し、特に周波数が近い音の識別タスクでその影響が大きいことを発見しました。これは、BVM投射が聴覚情報処理において重要な役割を果たしていることを示しています。

主な結果

  1. BVMから聴覚皮質への投射：BVMニューロンは聴覚皮質に投射し、これらの投射は周波数チューニング特性を持ち、聴覚皮質の音調トポグラフィーマップと一致しています。
  2. BVM投射の機能：BVM投射を抑制すると、聴覚皮質ニューロンの音に対する反応が著しく低下し、マウスの音の周波数識別タスクでのパフォーマンスが損なわれます。
  3. BVM投射の周波数チューニング特性：BVM軸索は特定の周波数の音に対して強いチューニング特性を示し、これらのチューニング特性は聴覚皮質の音調トポグラフィーマップと一致しています。
  4. BVM投射のシナプスターゲット：BVM軸索は主に聴覚皮質第1層のNDNF+介在ニューロンと興奮性シナプスを形成しています。
  5. BVM投射の行動学的意義：BVMニューロンの活動を抑制すると、マウスの聴覚識別タスクでのパフォーマンスが顕著に低下し、特に周波数が近い音の識別タスクでその影響が大きいです。

結論

この研究は、BVMから聴覚皮質への投射という新しい視床-皮質経路を明らかにしました。この経路は古典的なMGB/Auc経路と並行しており、聴覚情報処理に共同で関与しています。BVM投射は周波数チューニング特性を持ち、主に聴覚皮質第1層のNDNF+介在ニューロンと興奮性シナプスを形成しています。BVM投射を抑制すると、聴覚皮質ニューロンの音に対する反応が著しく低下し、マウスの音の周波数識別タスクでのパフォーマンスが損なわれます。この発見は、聴覚情報処理メカニズムの理解を拡大するだけでなく、聴覚関連疾患の治療に新たな視点を提供します。

研究のハイライト

  1. 新しい視床-皮質経路の発見：この研究は初めてBVMから聴覚皮質への投射を明らかにし、聴覚情報処理メカニズムの理解を拡大しました。
  2. 周波数チューニング特性：BVM投射は周波数チューニング特性を持ち、聴覚皮質の音調トポグラフィーマップと一致しており、聴覚情報処理における周波数選択性を示しています。
  3. シナプスターゲットの特定：BVM軸索は主に聴覚皮質第1層のNDNF+介在ニューロンと興奮性シナプスを形成しており、皮質ニューロン活動の調節におけるその役割を明らかにしました。
  4. 行動学的検証：BVM投射を抑制すると、マウスの音の周波数識別タスクでのパフォーマンスが顕著に低下し、特に周波数が近い音の識別タスクでその影響が大きいことを示しました。

意義と価値

この研究は、BVMから聴覚皮質への投射が聴覚情報処理において重要な役割を果たしていることを明らかにし、聴覚関連疾患の治療に新たな視点を提供します。例えば、BVM投射の活動を調節することで、聴覚障害患者の聴覚知覚能力を改善できる可能性があります。さらに、この研究は他の感覚情報処理メカニズムの理解にも新たな視点を提供します。

その他の価値ある情報

この研究は、蛍光逆行性トレーシング、ケモジェネティクス、2光子カルシウムイメージング、オプトジェネティクス、全細胞パッチクランプ記録など、さまざまな先進的な技術を採用しました。これらの技術の応用は、研究の精度と信頼性を高めるだけでなく、今後の関連研究に技術的参考を提供します。