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Neural circuit mechanisms of attractive social behavior in the main olfactory system

井ノ口(加藤), 霞 東京大学 DOI:10.15083/0002004159

2022.06.22

概要

序論
⽣物は外界からの様々な情報を五感を介して知覚・認識し、状況に応じた適切な⾏動を引き起こしている。この⾼度な情報処理は正確な神経回路構築により⽀えられている。マウス嗅覚系は主嗅覚系と鋤⿐系の⼆つのシステムに⼤別される。前者は⼀般的な匂い物質を受容し、後者はフェロモン物質を認識していると考えられている。主嗅覚系では、匂い分⼦と嗅覚受容体との結合情報は嗅神経細胞(olfactory sensory neuron:OSN)を介し終脳前部に位置する嗅球へと伝えられている。嗅球へ伝えられた匂い情報は⼆次神経細胞である僧帽細胞(Mitral cell: MC)を介し⾼次脳領域である嗅⽪質(前嗅核、嗅結節、梨状⽪質、⽪質扁桃体、嗅内野)へと伝えられている(図1)。⼀⽅、鋤⿐系では、鋤⿐器官でフェロモン物質が受容され、その情報は副嗅球へと伝えられている。鋤⿐系の⼆次神経細胞は情動を制御している扁桃体内側核と分界条床核に軸索を投射させていることが分かっている。

主嗅覚系の嗅球背側領域では、天敵臭など異種の匂いを認識しており、腹側領域では尿など同種の匂いを認識していることが明らかになっている(図1)。このように嗅球の背側と腹側では機能的に違いが存在することが⽰唆されている。僧帽細胞の投射領域の⼀つである前嗅核背側は嗅球背側の僧帽細胞から、腹側は腹側の僧帽細胞からの⼊⼒を受けている。また、⽪質扁桃体に投射してくる僧帽細胞は嗅球の背側に位置している割合が多いことが⽰されている。これらの報告は僧帽細胞の投射領域の違いが機能差を⽣んでいることを⽰唆している。しかしながら、投射の違いを制御する分⼦メカニズムや投射領域の違いがどのように⾏動へ関与しているのかは明らかにされていない。これまで個々の僧帽細胞に個性が存在するのか、個性がある場合はどのように決定されているのか⼗分解明されておらず、解析をより困難にしていた。

結果
僧帽細胞の個性獲得についてはOSN依存的またはOSN⾮依存的の⼆つの可能性が考えられる。前者はOSNからの情報により僧帽細胞の個性が決定する場合、後者はOSNとは無関係に僧帽細胞の個性が決定している場合である。本研究では嗅球腹側に投射するOSNと嗅球腹側に位置する僧帽細胞が共に軸索ガイダンス分⼦であるNeuropilin2(Nrp2)を発現していることを明らかにした(図2)。僧帽細胞におけるNrp2の発現を経時的に観察するとOSNの軸索と結合するより前にNrp2の発現が検出されることがわかった。このことからOSNとは無関係に僧帽細胞の個性が決定しているというモデルが⽀持された。次にNrp2がOSNの軸索投射と僧帽細胞の細胞体配置に関わっているかを検証するためにNrp2のノックアウトマウスの解析を⾏った。その結果、野⽣型では嗅球腹側に投射していたOSNがノックアウトマウスではより背側に観察された。僧帽細胞についても同様に嗅球腹側の僧帽細胞が背側領域で観察された。Nrp2の反発性リガンドとしてはSemaphorin 3F(Sema3F)が知られている。先⾏研究からSema3Fは嗅球背側のOSNで発現していることがわかっている。OSN特異的Sema3Fノックアウトマウスを⽤いてNrp2陽性OSNの軸索投射および僧帽細胞の配置を調べた。Nrp2ノックアウトマウスでみられたように本来腹側に投射するNrp2陽性OSNと僧帽細胞は、嗅球背側にも検出された。この結果は嗅球背側由来の共通のリガンドがOSNの軸索投射と僧帽細胞の細胞体配置に関与し、両者間の適切なシナプス形成を可能にしていると考えられる。

Nrp2は嗅球の腹側僧房細胞で特異的に発現し、⽣後数⽇で消失する。発⽣過程における⼀時的かつ位置特異的なNrp2の発現は僧帽細胞の⼤まかな回路構築、軸索投射領域の規定に寄与する可能性が⾼いと考えられる。Nrp2を発現するサブタイプの軸索投射領域に特異的なパターンがあるかを検証するために、Nrp2プロモーター依存的にCrerecombinaseを発現するBACトランスジェニックマウスを作製した。このマウスを僧帽細胞特異的に、かつCre依存的に標識タンパク質(EGFP)を発現するトランスジェニックマウスと掛け合わせることで、僧帽細胞の軸索投射を特異的にラベルした。この実験によりNrp2陽性細胞は扁桃体内側核(aMeA)に投射していることが明らかになった。さらに、Nrp2のノックアウトマウスにおいては、扁桃体内側核への軸索投射に異常がみられることが観察された。これまで、扁桃体内側核は鋤⿐器からの⼊⼒を受けていることが知られており、“鋤⿐器扁桃体”と⾔われていたが、主嗅覚系からの情報も伝達されていることが⽰された。扁桃体内側核は情動の発現に重要な役割を果たすことがこれまでの研究から明らかになっており、マウスの性⾏動の制御にかかわっていることが⽰されてきた。鋤⿐器官のシグナル伝達に必須と考えられているTRPC2チャネルのノックアウトマウスでは雌の性⾏動の雄化や、雄の⼀部の性⾏動異常が観察されている。⼀⽅で、雌を呼ぶ求愛ソングであるUltrasonic Vocalization(USV)や、雌に対するマウンティング⾏動は雄のTRPC2チャネルノックアウトマウスにおいて正常であることが報告されており、鋤⿐器以外の嗅覚⼊⼒が関わっていると考えられている。そこで、主嗅覚系から扁桃体内側核への投射に異常がみられる僧帽細胞特異的Nrp2ノックアウトマウスにおいて、性行動への影響を調べた。その結果、異性マウスへの誘引行動や求愛ソングであるUSVの発生が優位に減少していることが明らかになった。

考察
本研究から、Nrp2-Sema 3 FsignalingがOSNの軸索投射、僧帽細胞の細胞体配置および扁桃体内側核への投射を制御し、末梢神経から高次脳領域までの一連の回路形成を担っていることが明らかになった(図3)。さらに、主嗅覚系の嗅球腹側領域から扁桃体内側核への神経回路が性行動の誘起に必要であることが示唆された。今回の研究成果により、接続する2種類の神経グループが、共通のリガンドにより特異的な回路構築を可能にするという新しいメカニズムを提唱できると考えている。

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