高解像度マッピング技術により、脳の基礎となる回路アーキテクチャが解明される

高解像度マッピング技術により、脳の基礎となる回路アーキテクチャが解明される

科学者が脳機能を導く回路を解読するのに役立つソークとグラッドストンの共同研究

カリフォルニア州ラホーヤ—脳の力は、複雑な神経「ネットワーク」を形成するシナプスと呼ばれる何兆もの細胞間接続にあります。 神経科学者たちは長い間、これらの個々のつながりをマッピングして、特定の脳機能にどのような影響を与えるかを調べようとしてきましたが、従来の技術は成功していません。 現在、ソーク研究所とグラッドストーン研究所の科学者たちは、革新的な脳追跡技術を使用して、これらのネットワークのもつれを解く方法を発見しました。 これらの発見は、脳の特定の領域がどのように相互に接続されているかについて新たな洞察を提供すると同時に、これらの接続が破壊された場合にニューロンごとに何が起こるかについての手がかりも明らかにします。

最新号では、 ニューロンが率いるチーム エドワード・キャロウェイ、ソーク島の教授であり、生物医学科学のオードリー・ガイゼル椅子の保持者、そして アナトール・クライツァーグラッドストンの研究者は、マウスモデルと洗練された追跡技術を組み合わせました。 単シナプス狂犬病ウイルスシステム—運動と意思決定に関与する脳の領域である大脳基底核に接続するニューロンの脳全体のマップを構築する。 この領域の詳細な解剖学的理解を深めていくことは、大脳基底核の機能不全に起因する疾患の研究に役立つ可能性があるため重要です。 パーキンソン病 とハンチントン病。

「キャラウェイ博士によって開拓された単シナプス性狂犬病ウイルスのアプローチは、以前の方法と比較して、非常に正確な精度を提供するという点で独創的です。以前の方法は解像度が低く、より厄介でした」と、神経学および生理学助教授でもあるクライツァー氏は説明した。で カリフォルニア大学、サンフランシスコ, グラッドストンと提携している。 「この論文では、トレーサーを遺伝的に活性化することでアプローチをさらに一歩進め、大脳基底核の特定のニューロンでのみトレーサーがオンになるようにしました。 脳の他の部分から大脳基底核の特定の種類の細胞に接続するネットワークのみを追跡していると確信できるため、これは技術的に大きな進歩です。」

顕微鏡画像は、改変された狂犬病ウイルスで標識されたマウスの脳の神経細胞を示しています。 これらの細胞は、随意運動を調節する脳の領域である線条体に直接接続します。 パーキンソン病やハンチントン病などの変性疾患では、線条体が破壊されます。

画像: ニコラス・ウォール提供、ソーク生物学研究所

グラッドストンでは、クライツァー氏はパーキンソン病に関連する大脳基底核の研究に焦点を当てています。 昨年、彼と彼のチームは、この地域で見つかったXNUMX種類のニューロンの関係、そしてそれらがどのように運動と意思決定の両方を導くのかについての手がかりを明らかにした研究を発表した。 直接経路中型有棘ニューロン (dMSN) と間接経路中型有棘ニューロン (iMSN) と呼ばれるこれら XNUMX つのタイプは、対立する力として作用します。 dMSN はアクセル ペダルのように動きを開始し、iMSN はブレーキのように動きを抑制します。 クライツァー研究室の最新の研究では、これら XNUMX つのタイプが行動、特に意思決定にも関与していること、また dMSN と iMSN の機能不全がそれぞれ依存性行動と抑うつ行動に関連していることが判明しました。 これらの発見は、パーキンソン病などの運動障害に見られる物理的な神経変性と、この疾患の行動面の一部との間の関連性を提供したため、重要でした。 しかし、この研究でもまだ多くの疑問が未解決のまま残されています。

「例えば、あの研究や他の同様の研究では、運動や行動における dMSN と iMSN の役割が明らかになりましたが、他の脳領域がこれら XNUMX 種類のニューロンの機能にどのような影響を与えるかについては、ほとんどわかっていませんでした」とソーク研究所博士研究員のニコラス ウォール氏は述べています。同僚であり、この論文の筆頭著者。 「単シナプス性狂犬病ウイルスシステムは、その疑問に対処するのに役立ちます。」

このシステムはもともと2007年に開発され、2010年に特定の細胞型を標的にするためにウォールとキャロウェイによって改良されたもので、狂犬病ウイルスの改変版を使用して脳領域に「感染」し、脳領域に接続されているニューロンを標的にする。 このシステムを遺伝子マウスモデルに適用すると、研究チームは、脳内の感覚、運動、報酬構造が大脳基底核の MSN にどのように接続されているかを具体的に確認することができました。 彼らが発見したものは驚くべきものでした。

「一部の地域では、iMSN よりも dMSN に送信すること、またはその逆に送信することを優先していることに気付きました」と Kreitzer 氏は述べています。 「たとえば、脳の運動皮質に存在するニューロンは iMSN を好む傾向があるのに対し、感覚系および大脳辺縁系のニューロンは dMSN を好む傾向がありました。 従来の技術を使用して観察することは事実上不可能だったこの微細な組織化により、これら XNUMX 種類のニューロンの異なる役割を予測することができます。」

「これらの最初の結果は、このネットワークが非常に異なる脳機能の膨大な配列をどのように導くかを解読するためだけでなく、このネットワークのさまざまな部分の機能不全がどのようにさまざまな神経学的状態を引き起こす可能性があるかを解読するためのリソースとして扱われる必要があります」とキャロウェイ氏は述べた。 「狂犬病ウイルスシステムを使用して、さまざまな種類の病気におけるネットワークの混乱を正確に特定できれば、これらの病気の根底にある分子メカニズムの理解が大幅に向上し、解決策の開発にさらに近づくことができるでしょう。」

この研究は次の支援を受けました。 ギャツビー慈善財団 と 国立衛生研究所.

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。

グラッドストン研究所について:
Gladstone は、心血管疾患、ウイルス疾患、神経疾患の予防、治療、治癒を目的とした科学的発見と革新のペースを加速することに専念する独立した非営利生物医学研究組織です。 グラッドストンはカリフォルニア大学サンフランシスコ校と提携しています。