発達中の脳領域を再パターン化する斬新な「トップダウン」メカニズム

発達中の脳領域を再パターン化する斬新な「トップダウン」メカニズム

脳の発達に関するソークの研究結果は、自閉症などの神経障害を解明する可能性がある

カリフォルニア州ラホーヤ—デニス・オリアリー ソーク研究所の博士は、人間の脳の最も大きな部分である皮質の基本的な機能構造が発生中に遺伝的に決定されることを示した最初の科学者でした。 しかし、科学ではよくあることですが、XNUMX つの質問に答えることで、他の多くの質問が明らかになります。 オリアリー氏は、皮質のレイアウトが固定されていなかったらどうなるだろうかと考えました。 それが変更されたらどうなるでしょうか?

XNUMX月号では、 ネイチャーニューロサイエンス、ソーク大学分子神経生物学ヴィンセント・J・コーツ委員長の保持者であるオレアリーと彼の研究室の博士研究員であるアンドレアス・ゼンブジツキは、皮質レイアウトの変更が可能であること、そしてこの変更が脳の一部に重大な変化を引き起こすことを実証している。皮質と接続し、その機能的特性を定義する脳。 これらのメカニズムは、次のような神経発達上の問題の中心にある可能性があります。 自閉症スペクトラム障害 (ASD)。

体表全体に分布する感覚受容体は、体性感覚皮質 (S1) の対応する感覚マップで表されます。

ペンフィールドの「ホムンクルス」のイラストのように、S1 におけるそれらのサイズは、身体部分のサイズではなく、身体の各部分を S1 に接続する感覚受容体と神経の数と密度によって決まります。 通常の「Mouseunculus」(WT) には、顔とひげを表す高度に拡大されたマップが含まれています。

新皮質のPax6を欠く動物（cKO）では、すべての体の地図が非常に小さく不完全であり、その結果、これらのマウスの異常な体性感覚を図式化した非常に歪んだ「Mouseunculus」が生じます。

画像: ソーク生物学研究所、アンドレアス ゼンブジツキとジェイミー サイモンの提供

人間の皮質は、感覚知覚、空間推論、意識的思考、言語などの高次機能に関与しています。 すべての哺乳類は皮質に感覚を処理する領域を持っていますが、その割合は異なります。 人気の実験動物であるマウスは夜行性であるため、皮質に大きな体性感覚領域 (S1) があり、接触、痛み、温度、固有受容などの体の感覚を担当します。

「皮質の領域配置は動物のライフスタイルに直接関係しています」とゼンブジツキ氏は言う。 「領域が大きくなったり小さくなったりするのは、動物が入力を受け取る体の部分の物理的なサイズではなく、動物の機能的ニーズに応じて決まります。」

他の種との相対的なサイズが設定されていても、人間の皮質の領域は個人によって大きく異なる可能性があります。 このような変動は、一部の人々が野球を打つことや目の錯覚の詳細を検出するなど、特定の知覚作業において自然に優れているように見える理由の根底にある可能性があります。 神経障害のある患者では、さらに広範囲の違いが見られます。

S1 のニューロンは、皮膚内の神経終末の密度に従ってボディマップと呼ばれる機能グループに配置されています。 したがって、脚の皮膚よりも顔の皮膚専用のニューロンのグループがより多く存在します。 脳神経外科医のワイルダー・ペンフィールドは、このアイデアを「感覚ホムンクルス」、つまり大脳皮質上にアーチを描く不釣り合いな大きさの身体部分の漫画として図解したことで有名です。 マウスの皮質には同様の「マウスンクルス」があり、顔のひげの身体マップが非常に拡大されています。

これらの知覚マップは一生続くものではありません。 たとえば、体の一部の神経支配が人生の早い段階、臨界期に減少すると、そのマップは縮小する可能性があり、その一方で、体のマップの他の部分は代償として成長する可能性があります。 これは、外部経験が脳内の身体マップに影響を与える「ボトムアップ可塑性」のバージョンです。

左から: ソーク島の科学者、デニス・DM・オリアリー氏とアンドレアス・ゼンブジツキ氏

画像: ソーク生物学研究所の提供

皮質の配置を研究するには、 オリアリーのチーム マウスの皮質にある調節遺伝子Pax6を変更した。 それに応じて、S1 ははるかに小さくなり、Pax6 がその発達を制御していることが示されました。 彼らは、S1の縮小がその後、皮質に感覚情報を供給する脳の他の領域に影響を及ぼしたことを発見したが、さらに興味深いことに、これらの皮質下の脳領域の身体地図も変化させ、これらの脳領域は一度確立されると、それ以外のことはできないという考えを覆した。外部の経験によって変えられる。 彼らは、これまで知られていなかったこの現象を「トップダウン可塑性」と名付けました。

「トップダウンの可塑性は、感覚遮断によって引き起こされるよく知られたボトムアップの可塑性を逆の形で補完します」とオレアリー氏は言う。

通常、S1皮質の身体マップは、視床の同様の身体マップを反映しています。視床は感覚情報の主要なスイッチングステーションであり、軸索として知られる発信神経「ワイヤー」を介して体末梢からS1皮質に体性感覚を伝達します。 新たに発見されたトップダウン可塑性では、S1 が小さくなると、それに栄養を与える感覚視床もその後サイズが小さくなります。

しかし、この物語にはさらに興味深い展開があります。 「感覚回路の発達に関する現在の知識によれば、S1 が小さくなると、S1 内のすべての身体表現が同様に影響を受けると予想されました」と O'Leary 氏は言います。 「私たちにとって驚きだったのは、体の地図が小さくなっただけでなく、その一部が完全に欠けていたことです。 身体マップの一部の特定の欠失は、S1 サイズによって決定される皮質リソースの過剰な競争によって制御され、皮質でこれらのマップを形成する視床ニューロンからの接続間で行われます。」

「平たく言えば、『居眠りしたら負け』です」とゼンブジツキ氏は付け加えた。 「後で分化する軸索は、小さい S1 から優先的に除外され、それが表す体の部分の特定の欠失につながります。」

「トップダウンの可塑性についての重要な点は、感覚皮質のサイズとパターンを変えると、通常はS1に存在しない身体部分を表す視床ニューロンの選択的死を介して、感覚視床の変化が一致するということです」とゼンブジツキ氏は付け加えた。 「したがって、脳の下流部分はS1の構造に一致するように再パターン化され、その結果、感覚知覚と機能に重要な影響を与える脳の配線が異常になります。 たとえば、自閉症者は、触覚やその他の体性感覚の特徴に非常に強い異常を持っています。」

オリアリーとゼンブジツキは、このプロセスが自閉症やその他の神経障害の発症に関する重要な洞察を提供すると信じています。 「発達初期の自閉症の脳の特徴の1つは、皮質全体が正常な大きさを保っているのに、前頭葉皮質が拡大しているなど、領域のプロファイルが異常であるように見えることです」とオリアリー氏は言う。 「したがって、SXNUMXなどの前頭野の後ろに位置する他の皮質領域のサイズが縮小し、自閉症患者の場合に見られるように、視床が感覚皮質の欠陥と一致する欠陥を示すことが暗黙的に示唆されます。」

この研究の他の研究者は、ソーク研究所のシェン・ジュ・チョウ氏と、 マックス プランク生物物理化学研究所、ゲッティンゲン、ドイツ。

この作品は 国立衛生研究所 と Vincent J.Coates 分子神経生物学教授.

ソーク生物学研究所について：
ソーク生物学研究所は世界有数の基礎研究機関の XNUMX つであり、国際的に有名な教員がユニークで協力的かつ創造的な環境で生命科学の基礎的な疑問を研究しています。 ソークの科学者は、発見と次世代の研究者の指導の両方に重点を置き、神経科学、遺伝学、細胞生物学、植物生物学、および関連分野を研究することで、がん、老化、アルツハイマー病、糖尿病、感染症の理解に画期的な貢献をしています。

教員の功績は、ノーベル賞や全米科学アカデミーの会員など、数多くの栄誉によって認められています。 ポリオワクチンの先駆者であるジョナス・ソーク医学博士によって 1960 年に設立されたこの研究所は、独立した非営利団体であり、建築上のランドマークでもあります。