伊藤が筆頭著者の論文
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cne.25422
がオンラインで公開されています。以下、この論文の内容の解説です。
The paper "Convergence of bilateral auditory midbrain inputs on neurons in the auditory thalamus of chicken" by Ito, Ono, Ohmori is now available online. Following is the explanation of the paper.
「研究の概要」でも述べているように、動物の感覚は、世界を構成している環境情報のうち、動物の生存に必要なものを取捨選択することによって構成されていると考えられます。このため、動物の感覚器やそこから情報を取り出す感覚神経回路には大きな種差が存在します。また、進化には場当たり的な環境への適応、という側面がありますから、同じ情報を処理するための神経回路にも複数の解が存在することがあり*1、その複数の解はその動物の辿ってきた進化の道筋、つまり系統を反映していると考えられます。
As described in Research Outline of this blog, animal's senses are composed by environmental information which is essential for the animal's survival. Therefore, there are significant interspecies differences in sensory organs and sensory neuronal circuitry. In addition, as evolution has a face of ad hoc adaptation for environment, different species may have different neuronal circuitry for same sensory information, and the different circuitry may reflect long journey of evolutional trait, i.e. phylogeny.
トリの聴覚系において、中脳より下位の神経核は哺乳類と機能がよく類似しているが、発現分子の解析より神経核が「他人の空似」つまり収斂進化によって生じていることが知られているなど、哺乳類と鳥でかなり大きな種差が存在し、これは両者の系統の分岐の年代が古生代まで遡る古いものであることを反映しています。この一方、中脳、視床、終脳に存在する上位の聴覚神経領域は哺乳類と鳥で相同であることがわかっており、私達の過去の研究でも聴覚中脳領域*2を構成する神経細胞の種類がトリと哺乳類で共通していることを示しています。しかしながら、神経領域同士の接続様式についての詳細やその系統差はあまりわかっていませんでした。
In avian auditory system, it has been known that lower auditory nuclei before auditory midbrain has similar morphology and functions to mammals, but the molecular expression reveals the different origin with convergent evolution, which reflect the divergent of mammalian and avian traits in Paleozoic era. On the other hand, higher auditory regions including midbrain, thalamus, and telencephalon are homologous structures between birds and mammals. Indeed, our previous study revealed that cell types in auditory midbrain are shared in both clades. However, the detailed information about the connection of higher nuclei and the difference to mammal was not well established.
今回私たちはニワトリの聴覚神経回路を題材に、新しい順行性経シナプスベクターをもちいてその回路の構築を分析しました。このベクター、A3Vは感染ニューロンの軸索を順行性に輸送され、神経終末末端からシナプスを介してシナプス後ニューロンに感染する能力をもちます。このA3Vを聴覚中脳MLdに注入することで、その上位領域である聴覚視床核nucleus ovoidalis (Ov)のニューロンを標識することができます。MLdは下位の神経核からの入力様式の異なる、つまり機能的に分離した複数のサブ領域に分かれることがわかっていますので、A3VをMLdサブ領域に打ち分け、Ovの標識ニューロンの分布がどのように異なるか分析を行いました。
In this study, we examined chicken's auditory pathway with newly found anterograde transsynaptic viral vector. This vector, A3V, is transported anterogradely in axons of infected neurons, and causes transsynaptic spread to postsynaptic neurons. Injection of the virus into auditory midbrain, MLd, will cause labeling of the higher auditory thalamic region, nucleus ovoidalis (Ov). Since MLd is subdivided into several subregions which receive different combination of projections from lower nuclei, we injected A3V into different MLd subregions and analyzed how the distribution of labeled Ov neurons differ between injections to different MLd subregions.
MLdのサブ領域ごとに、標識される（後シナプス）Ovニューロンの存在部位に違いがあり、下位の脳幹神経核、MLd、Ovを通して機能的に分離するサブ経路が存在することが確認されました。また、過去の研究でもMLdの軸索は両側のOvに分布することがわかっていましたが、その左右の投射の強さを定量することはできていませんでした。今回Ovの後シナプス細胞の数を左右で比較することで、MLdのサブ領域にかかわらず、同側への投射は対側への投射の1～4倍の数のニューロンを支配することが明らかになりました。同側への投射は強いものの、対側への投射も十分な量があり、これは哺乳類の下丘から視床への投射がほとんど同側性*3であることと顕著に異なります。
We found that injections to different MLd subregions caused different distribution of postsynaptic Ov neurons, suggesting functional subpathways through lower auditory nuclei, MLd, and Ov. In previous studies, it has been shown that hemilateral MLd send axons to Ov of both sides, although the projection intensity between sides was not quantitatively determined. Here, we compared the number of labeled Ov neurons in both sides, and found that ipsilateral projection is 1-4 times stronger than contralateral projection and the ratio is unrelated with MLd subdomains. Although ipsilateral projection is stronger, there is significant contralateral projection, showing obvious contrast to mammalian tectothalamic projection, which is mostly hemilateral.
MLdが明確に両側投射を示すことから、Ovのニューロンの中に両側のMLdから入力をうけるものが存在するのは大いにありそうなことです。そこで、片側のMLdに緑色蛍光タンパク遺伝子を搭載したA3V、反対側のMLdに赤色蛍光タンパク遺伝子を搭載したA3Vを注入し、Ovでの蛍光タンパク発現ニューロンの分布を調べたところ、注入したMLdのサブ領域にかかわらず、ほとんどの例で緑色蛍光タンパクと赤色蛍光タンパクの両者を共存するOvニューロンが存在することが明らかになりました。このことは、Ovには両側のMLdからの情報を統合するニューロンが存在し、異なる音情報処理に関与すると考えられるMLdの異なるサブ領域からの情報が統合されることも示唆しています。
As MLd projection is clearly bilateral, it is very likely that some Ov neurons receive inputs from MLds of both sides. To this end, we injected A3V coding green fluorescent protein in one side of MLd, and A3V coding red fluorescent protein in another side, and examined distribution of fluorescent protein expressing neurons in Ov. We found that irrespective of MLd subdomains, Ov neurons expressing both green and red fluorescent proteins were found in most cases. This indicates presence of Ov neurons that integrate information from both MLd, and implies that these Ov neurons integrate different sound information processed in different MLd subdomains.
左右からの入力が統合されることから、音の空間認知に関わる両耳音情報処理との関係が考えられます。哺乳類やトリでは両耳音情報処理にかかわる脳領域が中脳より下のレベルの脳幹神経核で同定されています。つまり中脳のニューロンの中には両耳音情報を保有するものが存在します。そして、音の空間認知能力に優れた虫食性コウモリでは、下位脳幹の両耳音情報処理神経核から中脳への投射が（普通の哺乳類では片側性なのに対し）両側性であり、優れた音源定位能力との関係が想定されます。このことから、今回明らかとなった、Ovのニューロンが両側の中脳のニューロンの入力を受けることの機能的意義は、精細な音源定位と関係するのかもしれません。
Since Ov integrates inputs from both sides, the function of the bilateral projection is likely related with binaural processing and sound localization. In both birds and mammals, binaural processing is done in lower brainstem auditory nuclei, and therefore some midbrain neurons convey binaural information. In insectivore bats which exhibit excellent sound localization are shown to have binaural projection from the binaural lower nucleus to midbrain, whereas in "normal" mammals the projection is ipsilateral. This suggests binaural projection to higher centers relates with precise sound localization. In the current study, although we did not test binaural ability physiologically, the functional significance of the found binaral projection may relate with precise sound localization.
