抑制性基底核は脚橋核のサブタイプに異なる入力様式を示し、運動と情動行動に反対の効果を及ぼす

핵심 개념

本研究では、抑制性基底核出力核である黒質網様部（SNr）と淡蒼球外節（GPe）が、脚橋核（PPN）の細胞種特異的かつ領域特異的な様式で神経支配し、運動と報酬行動に異なる影響を与えることを明らかにした。

초록

基底核による脚橋核の神経支配と行動制御における役割

文献情報:
[論文の完全な引用をここに挿入。例：Smith, J. D., & Jones, A. B. (2023). Inhibitory basal ganglia nuclei differentially innervate pedunculopontine nucleus subpopulations and evoke opposite motor and valence behaviors. Journal of Neuroscience, 43(12), 2124-2138. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1234-22.2023]
研究目的:
本研究は、抑制性基底核出力核である黒質網様部（SNr）と淡蒼球外節（GPe）が、脚橋核（PPN）の神経細胞サブタイプにどのように接続し、運動および報酬行動を調節するかを調べることを目的とした。
方法:
遺伝子改変マウスを用い、チャネルロドプシンを用いた光遺伝学とホールセルパッチクランプ記録を組み合わせることで、SNrおよびGPeからPPNへの投射を解析した。具体的には、SNrまたはGPeにチャネルロドプシンを発現させ、PPNの異なる細胞種（コリン作動性、GABA作動性、グルタミン酸作動性）からのシナプス応答を記録した。さらに、in vivoにおけるSNrおよびGPeの光遺伝学的操作を行い、運動および場所嗜好性試験による行動への影響を評価した。
主な結果:

解剖学的解析により、SNr軸索は吻側および尾側PPN全体に分布する一方、GPe軸索は尾側PPNに選択的に投射することが明らかになった。
電気生理学的解析により、SNrは吻側および尾側PPNのすべての細胞種を抑制するが、特に尾側グルタミン酸作動性ニューロンへの抑制が強いことが明らかになった。一方、GPeは尾側GABA作動性およびグルタミン酸作動性ニューロンを選択的に抑制し、コリン作動性ニューロンおよび吻側ニューロンへの抑制は弱かった。
行動実験により、SNrの光遺伝学的刺激は運動量の増加と場所嫌悪を引き起こす一方、GPeの刺激は運動量の減少と場所嗜好を引き起こすことが明らかになった。
結論:
これらの結果から、SNrとGPeはPPNの異なる細胞種および領域に対して異なる影響を及ぼし、運動および報酬行動の制御において異なる役割を果たすことが示唆される。
意義:
本研究は、基底核-PPN経路の複雑な接続様式を明らかにし、運動および報酬行動の神経回路基盤の理解に貢献するものである。
限界と今後の研究:
本研究では、マウスを用いて特定の細胞種および行動課題に焦点を当てた解析を行った。他の種における基底核-PPN経路の接続様式や、より複雑な行動における役割を明らかにするためには、さらなる研究が必要である。

통계

SNr軸索は吻側PPNを均等に満たし、尾側PPNの特定の領域にクラスター状に多く見られる。
GPe軸索投射は尾側領域に多く、吻側領域を避ける。
吻側PPNニューロンのSNrからの抑制性入力の最初のoIPSCの振幅の中央値は、細胞種に関わらず同じであった。
尾側グルタミン酸作動性ニューロンにおけるSNrを介したoIPSCは、コリン作動性およびGABA作動性尾側PPNニューロンにおけるoIPSCよりも有意に大きかった。
GPeからの入力を受けたGABA作動性ニューロンでは、最初のoIPSCの振幅と刺激中の周波数の絶対変化との間に有意な相関が見られた。

핵심 통찰 요약

Inhibitory basal ganglia nuclei differentially innervate pedunculopontine nucleus subpopulations and evoke opposite motor and valence behaviors

by Fallah,M., U... 게시일 www.biorxiv.org 08-06-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.08.05.606694v1

더 깊은 질문

基底核-PPN経路の機能的差異とパーキンソン病や依存症との関連性

本研究で明らかになった基底核-PPN経路の機能的差異は、パーキンソン病や依存症などの病態生理に深く関与している可能性があります。

パーキンソン病: パーキンソン病は、黒質緻密部 (SNc) のドーパミン神経細胞の変性とそれに伴うSNrの活動亢進を特徴とする神経変性疾患です。本研究では、SNrがPPNのグルタミン酸作動性ニューロンを強力に抑制することが示されました。このことから、パーキンソン病におけるSNrの活動亢進は、PPNのグルタミン酸作動性ニューロンの活動を抑制し、運動開始の障害や歩行障害などの運動症状の一因となっている可能性が考えられます。

依存症: 依存症は、報酬系、特に腹側被蓋野 (VTA) から側坐核 (NAc) へのドーパミン神経伝達経路の異常が関与しています。本研究では、GPeがPPNのGABA作動性ニューロンとグルタミン酸作動性ニューロンを抑制することが示されました。GPeは、視床下核 (STN) を介して間接的にVTAのドーパミン神経細胞の活動を抑制することが知られています。したがって、GPeの活動低下は、VTAのドーパミン神経細胞の活動を亢進させ、報酬関連行動を促進する可能性があります。依存症では、GPeの活動低下が認められるという報告もあり、本研究の知見は、依存症における報酬学習の異常や渇望の亢進のメカニズムの一端を説明する可能性があります。

SNrとGPeの活動統合による行動の柔軟性

本研究では、SNrとGPeの活動が運動と報酬行動に反対の効果をもたらすことが示唆されていますが、これらの経路は、脳内の他の領域との相互作用や、神経伝達物質の多様性などを介して統合され、行動の柔軟性を生み出していると考えられます。

直接経路と間接経路のバランス: 基底核は、運動の開始や抑制、報酬に基づく学習など、多様な機能を調節しています。これらの機能は、大脳皮質から視床への情報伝達を制御する直接経路と間接経路のバランスによって調節されています。SNrとGPeは、それぞれ間接経路と直接経路の出力核であり、これらの活動のバランスが、行動の適切な選択や切り替えに重要であると考えられます。

PPNの神経細胞サブタイプの多様性: PPNは、運動制御や報酬処理だけでなく、睡眠・覚醒や注意、学習など、多様な機能に関与しています。PPNには、コリン作動性ニューロン、GABA作動性ニューロン、グルタミン酸作動性ニューロンなど、異なる神経伝達物質を放出する神経細胞サブタイプが存在し、それぞれ異なる機能を担っていると考えられています。SNrとGPeは、これらの神経細胞サブタイプに対して異なる入力パターンを示しており、状況に応じて特定の神経細胞サブタイプの活動を調節することで、行動の柔軟性を生み出している可能性があります。

基底核とPPNの役割と高次脳機能

本研究は、脳の特定の神経回路に焦点を当てていますが、意識や自由意志といったより高次の脳機能における基底核とPPNの役割についても、いくつかの考察ができます。

意識と運動制御: 意識的な運動の開始や制御には、基底核と運動皮質、前頭前皮質などの領域が関与していると考えられています。PPNは、これらの領域と相互に接続しており、意識的な運動の開始や実行に寄与している可能性があります。

自由意志と行動選択: 自由意志に基づく行動選択は、複雑な神経メカニズムによって制御されていると考えられており、その全容は未だ解明されていません。基底核は、行動の価値評価や選択、習慣形成などに重要な役割を果たしており、PPNは、基底核からの情報に基づいて、適切な行動を選択するための運動プログラムの調整に関与している可能性があります。

報酬と動機付け: 報酬は、行動の動機付けや学習に重要な役割を果たしています。基底核は、報酬に基づく学習や行動選択に関与しており、PPNは、報酬情報に基づいて、行動の開始や維持を促進する役割を担っている可能性があります。
これらの高次脳機能における基底核とPPNの具体的な役割を明らかにするためには、さらなる研究が必要ですが、本研究の知見は、基底核-PPN経路が、運動制御や報酬処理だけでなく、意識や自由意志といった高次脳機能にも関与している可能性を示唆しています。