WTR: A Toolkit for Functional Anterograde Transsynaptic Circuit Mapping
著者らは、視床下部における体温調節およびストレス応答経路の解明への応用によって示された通り、神経回路を機能的にマッピングするために、細胞種特異的な順行性シナプス横断的ラベル付け、記録、および下流ニューロンの操作を可能にする、多用途なAAV送達融合タンパク質ツールキットであるWTRを開発した。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
脳は数十億もの細胞からなる広大なネットワークであり、それぞれの細胞が他の数千の細胞とつながり、呼吸から思考に至るまであらゆることを制御する複雑な回路を形成しています。このシステムがどのように機能しているかを理解するために、科学者たちは、電気技師が家の配線を確認するためにワイヤーを辿るように、細胞間の接続をマッピングする必要があります。数十年にわたり、研究者たちは特定の標的に向かってどの細胞が信号を送っているかを特定するという、接続を後ろ向きに辿る強力なツールを持ってきました。しかし、接続を前向きに辿る（つまり、ある起点からどの細胞が信号を受け取るのかを見る）ことは、困難なままでした。既存の前向きマッピング用のツールは、精度に欠けたり、研究対象である細胞に対して毒性があったり、あるいは異なる種類のニューロンを区別できなかったりすることがよくあります。信号を前方に追跡する明確な方法がないため、科学者たちは特定のニューロンのグループがいかにして複雑な行動や生理学的プロセスを駆動しているのかを理解するのに苦労しています。
研究チームは、この問題を解決するために設計された、高い精度で細胞への害を最小限に抑えながら脳の前方経路をマッピングできる新しいツールキットを開発しました。彼らは、WTRと呼ばれる分子ツールを作成しました。これは遺伝子コード化されたトレーサーとして機能します。このツールは、神経線維に沿って移動する能力で知られる小麦胚芽由来のタンパク質から作られていますが、特定の遺伝的指示を運ぶように再設計されています。科学者がこのツールを特定の開始ニューロンのグループに導入すると、ツールはニューロンが通信する際の微小な隙間であるシナプスを越えて移動し、連鎖のすぐ次の細胞セットへと到達します。そこに到着すると、ツールは蛍光マーカー（光感受性タンパク質）や化学センサーをダウンストリーム（下流）の細胞でオンにするための遺伝的なスイッチを放出します。これにより、研究者は接続がどこに向かうのかを見るだけでなく、その活動を記録したり、動物の行動にどのように影響するかを見るためにそれらを操作したりすることができるのです。
研究者たちはマウスを用いてこの新システムをテストし、体温調節やストレス反応を制御することで知られる、前視索前視床下部と呼ばれる脳領域に焦点を当てました。彼らは、この領域において、グルタミン酸という化学物質を用いて信号を送るニューロンと、GABAという化学物質を用いるニューロンという、2種類のニューロンが辿る異なる経路を区別できるかどうかを確認したいと考えました。この新しいツールキットを用いて、彼らはこれらの特定の開始ニューロンにトレーサーを注入し、それがどこへ移動するかを観察しました。その結果、ツールはほぼ独占的に前方方向に移動し、大きく後ろに戻ったり、さらに先の細胞へ飛び越えたりすることなく、次のニューロンに到達することを発見しました。これは、ツールが迷ったり誤った接続を生み出したりすることなく、神経経路の最初のステップを正確にマッピングできることを裏付けました。
ツールが意図通りに機能していることを確認するために、チームは古い手法と比較を行いました。彼らの新しいシステムは、従来のツールよりも標的ニューロンをラベル付けする効率が高く、他では見逃されていた可能性のある接続を特定することに成功しました。決定的なことに、彼らはラベル付けされたニューロンが、確かに開始細胞と直接接続されていることを検証しました。電気的な記録を用いることで、開始ニューロンを刺激した際に、ラベル付けされた標的ニューロンが直接的な一段階の信号で反応することを示し、ツールが間接的な接続ではなく、真の直接的な接続を特定したことを証明しました。
マッピングの確認ができたら、研究者たちはこのツールキットを使用して、これらの特定の接続が実際に何をしているのかを探りました。彼らは、グルタミン酸を放出する開始細胞からの信号を受け取るニューロンを標的とし、これらの接続が体温調節に関与する脳領域につながっていることを発見しました。これらのダウンストリームのニューロンを人工的に活性化させると、マウスの体温が低下したため、この特定の経路が熱放散を制御していることが確認されました。別の実験では、同じ開始領域から不安に関連する異なる脳領域への接続を追跡しました。グルタミン酸放出型の開始細胞からの信号を受けるニューロンを活性化させたところ、マウスは不安様行動を示しました。対照的に、同じ実験をGABA放出型の開始ニューロンに対して行ったところ、温度や不安に対するそのような効果は見られませんでした。
この研究は、新しいツールキットが特定の種類のニューロンをその直接的な標的へと結びつけ、そしてそれらの接続の機能を明らかにできることを実証しています。脳の配線を辿る能力と、それらの「ワイヤー」をオンまたはオフにする能力を組み合わせることで、研究者たちは、同じ脳領域内の異なる種類のニューロンが、異なる行動を制御するために異なる目的地へと信号を送っていることを示すことができました。この研究は、特定の神経回路がいかにして生きている動物の複雑な生理機能や行動を駆動するのかという、より明確な視点を提供し、脳の機能的構造を探索するための信頼できる手法を確立しています。
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