Cell Volume 186, Issue 9, 27 April 2023, Pages 1930-1949.e31

Pyramidal neurons form active, transient, multilayered circuits perturbed by autism-associated mutations at the inception of neocortex (錐体ニューロンは大脳皮質新生時に自閉症関連変異によって攪乱される一時的で多層的な回路を形成する)

Martin Munz ¹, Arjun Bharioke ¹, Georg Kosche ², Verónica Moreno-Juan ², Alexandra Brignall ², Tiago M Rodrigues ², Alexandra Graff-Meyer ³, Talia Ulmer ¹, Stephanie Haeuselmann ², Dinko Pavlinic ², Nicole Ledergerber ¹, Brigitte Gross-Scherf ¹, Balázs Rózsa ⁴, Jacek Krol ¹, Simone Picelli ², Cameron S Cowan ², Botond Roska ⁵

Institute of Molecular and Clinical Ophthalmology Basel, Basel, Switzerland; Department of Ophthalmology, University of Basel, Basel, Switzerland; Neural Circuit Laboratories, Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research, Basel, Switzerland.

Abstract

Cortical circuits are composed predominantly of pyramidal-to-pyramidal neuron connections, yet their assembly during embryonic development is not well understood. We show that mouse embryonic Rbp4-Cre cortical neurons, transcriptomically closest to layer 5 pyramidal neurons, display two phases of circuit assembly in vivo. At E14.5, they form a multi-layered circuit motif, composed of only embryonic near-projecting-type neurons. By E17.5, this transitions to a second motif involving all three embryonic types, analogous to the three adult layer 5 types. In vivo patch clamp recordings and two-photon calcium imaging of embryonic Rbp4-Cre neurons reveal active somas and neurites, tetrodotoxin-sensitive voltage-gated conductances, and functional glutamatergic synapses, from E14.5 onwards. Embryonic Rbp4-Cre neurons strongly express autism-associated genes and perturbing these genes interferes with the switch between the two motifs. Hence, pyramidal neurons form active, transient, multi-layered pyramidal-to-pyramidal circuits at the inception of neocortex, and studying these circuits could yield insights into the etiology of autism.

大脳皮質回路は主に錐体細胞から錐体細胞へのニューロン接続で構成されているが、胚発生中のその組み立ては十分に理解されていない。我々は、マウス胚のRbp4-Cre皮質ニューロン(トランスクリプトーム的に5層の錐体ニューロンに最も近い)が、生体内で2段階の回路組み立てを示すことを示す。E14.5では、それらは胚性近投射型ニューロンだけで構成される多層回路モチーフを形成する。E17.5までには、これが3つの胚性タイプすべてを含む第2のモチーフへと変化し、成体の第5層3タイプに類似する。胚性Rbp4-Creニューロンの生体内パッチクランプ記録と2光子カルシウムイメージングにより、E14.5以降、活発な細胞体および神経突起、テトロドトキシン感受性電位依存性コンダクタンス、機能的グルタミン酸作動性シナプスが明らかになった。胚のRbp4-Creニューロンは、自閉症に関連する遺伝子を強く発現しており、これらの遺伝子を撹乱すると、2つのモチーフ間のスイッチングが妨げられる。したがって、錐体ニューロンは、大脳新皮質形成の初期段階において、活発で一時的な多層錐体-錐体回路を形成する。これらの回路を研究することで、自閉症の病因に関する洞察が得られる可能性がある。

Keywords: autism; embryonic development; in vivo imaging; in vivo patch clamp; layer 5; neuronal activity; pyramidal neurons; single cell sequencing; synapses; transient circuits.

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Abstract: 皮質回路は主に錐体細胞同士の接続から構成されるが、その組み立てが胚発生中にどのように行われるかはよく理解されていない。本研究では、マウスの胚発生中において、Rbp4-Creニューロンが2つの異なる回路組織の段階を示すことを明らかにした。E14.5で、これらのニューロンは多層的な回路を形成し、E17.5では全ての胚型を含む回路へと移行する。この切り替えは自閉症関連遺伝子の変異によって影響を受ける。したがって、本研究は大脳皮質新生時における錐体細胞の活性化に関する新たな知見を提供する。

背景 (Background): 大脳皮質における回路の主要な構成要素はピラミッドニューロンであり、これらのニューロン同士の接続が重要な役割を果たしている。神経発達障害は皮質回路の欠陥に関連しているため、これらの回路形成の理解は重要である。

方法: マウス胚のRbp4-Creニューロンを標的にし、シングルセルRNAシーケンシング、in vivoパッチクランプ記録、2光子カルシウムイメージングを用いて、これらのニューロンの発達過程と回路形成を調査した。

結果: マウス胚のE14.5では、Rbp4-Creニューロンは多層的な回路を形成し、E17.5までに新たな回路組織へと移行する。この切り替えには自閉症関連遺伝子の影響が確認された。ニューロンは活動電位に感受性を示し、機能的シナプスを形成することが示された。

Discussion: 本研究は、錐体細胞が大脳皮質新生時に一時的な多層回路を形成することを示している。この初期回路は自閉症関連遺伝子の変異によって乱される可能性があることが示唆される。これまでの研究では、胚発生中のピラミッドニューロンの活性回路形成について詳細な理解はなかった。本研究は、初期段階での多層回路形成とその自閉症関連遺伝子による影響を初めて明らかにした。この研究は、Rbp4-Creニューロンに限定されているため、他のニューロンタイプについての詳細は不明である。また、2光子顕微鏡の物理的制限により、E18.5での深部のニューロン活動の記録が難しい。この研究は、自閉スペクトラム症の病因解明に役立つ可能性がある。発生過程における錐体細胞の回路形成の理解は、将来的な治療法開発への貢献が期待される。

本日は、生物学類のHさんが研究進捗報告を、ステューデント・ドクターになったばかりの医学類Nさんがジャーナルクラブを行いました。お二人とも頑張ってプレゼンテーションをしてくださいました。

Im Zimmer, wo die Uhrzeiger rückwärts gehen

An der Wand, der Schatten des gestrigen Ichs

Versucht, eine morsche Brücke zu überqueren

Zu Füßen rauscht der Fluss der Erinnerungen

Hände tasten im Nebel nach Wegweisern

Berühren nur den kalten Tau des Bedauerns

Jenseits geschlossener Fenster

Fliegt ein Vogel namens Zukunft

Im Garten des Herzens, Samen der Entscheidung gesät

Sprießen Ranken von Fragezeichen

Im Spiegel frage ich mich selbst

Und antworte mit Schweigen

Rückschau im Nebel der Zeit