バレル皮質

バレル皮質とは

ラットやマウスなどの齧歯類の顔面に生える太いヒゲからの体性感覚入力は、三叉神経の神経節細胞＞三叉神経核＞視床の腹後内側核＞大脳皮質第一次体性感覚（第IV層）に到達し、情報を処理する。個々のヒゲの入力は脳内で混在しないように顔のヒゲの分布パターンを維持したまま大脳皮質体性感覚野のIV層に入力し、１本１本のヒゲからの入力を処理するバレル（樽構造、barrel）と呼ばれるモジュール構造を持つ。バレルは細胞密度が高くなっていることなどから簡単な組織学的染色で可視化することができ、顔面のヒゲの分布と同じバレルのパターン（トポグラフィー）が体性感覚野に分布したものをバレル皮質 (barrel cortex)と呼ぶ（図１）。

形態学的特徴

ニッスル染色などの通常の組織学的手法や様々な組織化学的手法（チトクローム酸化酵素cytochrome oxidase、コハク酸脱水素酵素succinate dehydrogenase）によって、可視化することができる。細胞密度が高いバレルにはヒゲからの入力を担う軸索が視床の後腹側核から束を作った状態で大脳皮質IV層にターミナルする。その周りに主に有棘星状細胞 (spiny stellate 細胞)が取り囲むように集まり、筒状のバレルカラム内 (hollow)で視床軸索とできるだけ多くシナプス結合できるように、バレルカラム内に向けて樹状突起を伸ばすような方向性を持つ（図）。隣あったバレルカラムの間には小さなスペースがあり、septa と呼ばれる。Septaには主に尖端樹状突起 (apical dendrite)を持つ錐体細胞が配置されており、視床の後腹側核の軸索とはシナプス結合しない。バレル皮質内にはさらに尖端樹状突起の発達が乏しいStar pyramidal cellが存在し、それぞれの細胞数はspiny stellate: 58%, star pyramidal cells (25%), pyramidal cells (17%)の割合で分布している(Staiger et al., 2004)。

神経回路

第IV層

視床の腹後内側核 (ventroposterior medial nucleus: VPMdm)からの投射は主にhollow内の有棘星状細胞とシナプス結合する。一方、視床後核群(posterior nucleus: POm)の主な投射先は第I層と第V層であるにもかかわらず、septaの錐体細胞ともシナプス結合している事が報告されている (Lu and Lin, 1993)。第IV層の有棘星状細胞は真上のII/III層の神経細胞と接続し、異なるバレルからの投射が一箇所に混在する事は少ない (Feldmeyer et al., 2002)。第IV層同士の接続は非常に稀であり、仮に接続がある場合でも近傍の細胞同士に限られている。

II/III層

IV層の真上にあるII/III層の神経細胞からの投射は、第IV層のバレルカラムを避けセプタ領域に特異的に軸索を伸ばしてセプタにおいてシナプスを作っていることから、セプタ内に入力する感覚情報とセプタがつかさどる特殊感覚情報とを統合している可能性が示唆する。II/III層の神経細胞からの軸索を特異的に可視化することによって、バレル皮質を通常の染色と逆に浮かび上がらせるように見えるこの投射パターンはバレルネットと命名されている (Sehara et al., 2010)。

機能

齧歯類の多くはヒゲを使って物体識別を行い、物体同士の隙間などもヒゲを利用して間隔識別を行うことが知られている。この間隔識別能はgap crossing testと呼ばれるテストで測定することができるが、バレル構造を正常に形成で来なかった個体は間隔識別能力が下がる (Chu et al., 2013)。このことから、バレル構造を持つことによって触覚機能の精度を高めているものと考えられている。

バレル皮質はラット、マウス、ハムスター、チンチラ、モルモット、リス、ヤマアラシなどで確認されているが、カピパラには存在しない (Fox K. 2008)。

発生、可塑性

胎児期または生後直後、バレル皮質は形成されておらずマウスで生後２日から５日の間に形成される。視床軸索がそれぞれのhollow内に収束する形でターミナルを形成し、その周りに大脳皮質の細胞が集まってバレル構造ができる。このバレル形成には、ヒゲの刺激による神経活動が必要であり、生後ヒゲを抜いたり、毛根を焼き切るなどしてヒゲからの入力を遮断するとバレル構造が形成されない (Harris and Woolsey, 1979, 1981)。バレル構造の形成には臨界期があり、生後7日目以降はヒゲからの入力が遮断されても一度形成されたバレル構造は維持されたままとなる。バレルの形成には神経活動が必要であること、は大脳皮質の興奮性ニューロンに限定してNMDA型グルタミン酸受容体のNR1サブユニットを欠損するノックアウトマウスや (Iwasato et al., 1997)、代謝型グルタミン酸受容体mGluR5のノックアウトマウスにおいてもバレルの形成が不全になる (Ballester-Rosado et al., 2010)。さらにグルタミン酸受容体の下流に位置するタンパク質としてNeuroD2がバレル形成に必要であること (Ince-Dunn et al., 2006)、およびmGluR5の下流に位置する因子としてホスホリパーゼCβ1のノックアウトマウスはバレルの形成不全を起こすことが報告されている (Hannan et al., 2001)。視床軸索側からバレルを形成する要素として、視軸軸索のAC1 (Ca2+/calmodulin-activated type-I adenylyl cyclase)がAMPA受容体のトラフィッキングをコントロールすることによって、視床—大脳皮質細胞のシナプス結合の強化に必要であることが報告されている (Lu et al., 2003; Suzuki et al., 2015)。

バレルの形成に関わっている他の因子としては神経伝達物質であるセロトニンも重要であることが報告されている。まずセロトニン分解酵素であるモノアミン酸化酵素Aのノックアウトマウスでバレルの形成不全になる (Cases et al., 1996)。さらに、セロトニンを細胞に取り込むセロトニン輸送体のノックアウトマウスにおいてもバレルの形成が阻害されていたことから、大脳皮質でセロトニンの濃度が上昇するとバレルの形成が阻害されることが推測された (Cases et al., 1998)。このことを裏付けるように、モノアミン酸化酵素Aのノックアウトマウスとセロトニン1B受容体のノックアウトマウスとを掛け合わせることにより，バレルの形成の異常は軽減されることも報告されている (Rebsam et al., 2002)。以上のように、Nisslなどの染色で可視化できる細胞密度の違いによる“バレル構造“は視床軸索からの入力と大脳皮質細胞の神経活動のバランス、さらには細胞外セロトニン濃度の調節が必要である(Erzurumlu and Kind, 2001)。

バレル構造の形成には細胞が有棘星状細胞hollowを取り囲むように集まることとともに、有棘星状細胞の樹状突起がhollowに向けて伸長する必要がある。この樹状突起の形態変化に特異的に関わる因子が有棘星状細胞に発現しておりBtbd3、Sema7Aなどが報告されている (Carcea et al., 2014; Matsui et al., 2013)。

図１　A.マウスの鼻口部の写真。ヒゲの並び方は統一されており、A-E列と名前が付けられている。B.バレル皮質をチトクロームオキシダーゼ染色により可視化したもの。鼻口部でのヒゲの並びに対応したパターンが見られる。

参考文献

Ballester-Rosado, C.J., Albright, M.J., Wu, C.S., Liao, C.C., Zhu, J., Xu, J.A., Lee, L.J., and Lu, H.C. (2010). mGluR5 in Cortical Excitatory Neurons Exerts Both Cell-Autonomous and -Nonautonomous Influences on Cortical Somatosensory Circuit Formation. Journal of Neuroscience 30, 16896-16909. Carcea, I., Patil, S.B., Robison, A.J., Mesias, R., Huntsman, M.M., Froemke, R.C., Buxbaum, J.D., Huntley, G.W., and Benson, D.L. (2014). Maturation of cortical circuits requires Semaphorin 7A. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 111, 13978-13983. Cases, O., Lebrand, C., Giros, B., Vitalis, T., De Maeyer, E., Caron, M.G., Price, D.J., Gaspar, P., and Seif, I. (1998). Plasma membrane transporters of serotonin, dopamine, and norepinephrine mediate serotonin accumulation in atypical locations in the developing brain of monoamine oxidase A knock-outs. Journal of Neuroscience 18, 6914-6927. Cases, O., Vitalis, T., Seif, I., DeMaeyer, E., Sotelo, C., and Gaspar, P. (1996). Lack of barrels in the somatosensory cortex of monoamine oxidase A-deficient mice: Role of a serotonin excess during the critical period. Neuron 16, 297-307. Chu, Y.F., Yen, C.T., and Lee, L.J. (2013). Neonatal whisker clipping alters behavior, neuronal structure and neural activity in adult rats. Behavioural Brain Research 238, 124-133. Erzurumlu, R.S., and Kind, P.C. (2001). Neural activity: sculptor of 'barrels' in the neocortex. Trends in Neurosciences 24, 589-595. Feldmeyer, D., Lubke, J., Silver, R.A., and Sakmann, B. (2002). Synaptic connections between layer 4 spiny neurone-layer 2/3 pyramidal cell pairs in juvenile rat barrel cortex: physiology and anatomy of interlaminar signalling within a cortical column. Journal of Physiology-London 538, 803-822. Hannan, A.J., Blakemore, C., Katsnelson, A., Vitalis, T., Huber, K.M., Bear, M., Roder, J., Kim, D., Shin, H.S., and Kind, P.C. (2001). PLC-beta 1, activated via mGluRs, mediates activity-dependent differentiation in cerebral cortex. Nature Neuroscience 4, 282-288. Harris, R.M., and Woolsey, T.A. (1979). MORPHOLOGY OF GOLGI-IMPREGNATED NEURONS IN MOUSE CORTICAL BARRELS FOLLOWING VIBRISSAE DAMAGE AT DIFFERENT POSTNATAL AGES. Brain Research 161, 143-149. Harris, R.M., and Woolsey, T.A. (1981). DENDRITIC PLASTICITY IN MOUSE BARREL CORTEX FOLLOWING POSTNATAL VIBRISSA FOLLICLE DAMAGE. Journal of Comparative Neurology 196, 357-376. Ince-Dunn, G., Hall, B.J., Hu, S.C., Ripley, B., Huganir, R.L., Olson, J.M., Tapscott, S.J., and Ghosh, A. (2006). Regulation of thalamocortical patterning and synaptic maturation by NeuroD2. Neuron 49, 683-695. Iwasato, T., Erzurumlu, R.S., Huerta, P.T., Chen, D.F., Sasaoka, T., Ulupinar, E., and Tonegawa, S. (1997). NMDA receptor-dependent refinement of somatotopic maps. Neuron 19, 1201-1210. Lu, H.C., She, W.C., Plas, D.T., Neumann, P.E., Janz, R., and Crair, M.C. (2003). Adenylyl cyclase I regulates AMPA receptor trafficking during mouse cortical 'barrel' map development. Nature Neuroscience 6, 939-947. Lu, S.M., and Lin, R.C.S. (1993). THALAMIC AFFERENTS OF THE RAT BARREL CORTEX - A LIGHT-MICROSCOPIC AND ELECTRON-MICROSCOPIC STUDY USING PHASEOLUS-VULGARIS LEUKOAGGLUTININ AS AN ANTEROGRADE TRACER. Somatosensory and Motor Research 10, 1-16. Matsui, A., Tran, M., Yoshida, A.C., Kikuchi, S.S., Mami, U., Ogawa, M., and Shimogori, T. (2013). BTBD3 Controls Dendrite Orientation Toward Active Axons in Mammalian Neocortex. Science 342, 1114-1118. Rebsam, A., Seif, I., and Gaspar, P. (2002). Refinement of thalamocortical arbors and emergence of barrel domains in the primary somatosensory cortex: A study of normal and monoamine oxidase a knock-out mice. Journal of Neuroscience 22, 8541-8552. Sehara, K., Toda, T., Iwai, L., Wakimoto, M., Tanno, K., Matsubayashi, Y., and Kawasaki, H. (2010). Whisker-Related Axonal Patterns and Plasticity of Layer 2/3 Neurons in the Mouse Barrel Cortex. Journal of Neuroscience 30, 3082-3092. Staiger, J.F., Flagmeyer, I., Schubert, D., Zilles, K., Kotter, R., and Luhmann, H.J. (2004). Functional diversity of layer IV spiny neurons in rat somatosensory cortex: Quantitative morphology of electrophysiologically characterized and biocytin labeled cells. Cerebral Cortex 14, 690-701. Suzuki, A., Lee, L.J., Hayashi, Y., Muglia, L., Itohara, S., Erzurumlu, R.S., and Iwasato, T. (2015). THALAMIC ADENYLYL CYCLASE 1 IS REQUIRED FOR BARREL FORMATION IN THE SOMATOSENSORY CORTEX. Neuroscience 290, 518-529.