Cell Reports Volume 45, Issue 1, 27 January 2026, 116792
Cell-type-selective synaptogenesis during the development of layer 6 corticothalamic neuron connectivity in the mammalian neocortex (哺乳類新皮質における第6層皮質視床ニューロン結合形成過程における細胞型選択的シナプス形成)
Alan Y. Gutman-Wei 15, Sriram Sudarsanam 125, Alec G. Cabalinan 1, Naseer Shahid 1, Anny Shi 1, Luis E. Guzman-Clavel 1, Sophia M. Spindler-Krage 1, Amit Agarwal 34, Alex L. Kolodkin 1 2, Solange P. Brown 126
Solomon H. Snyder Department of Neuroscience, Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, MD 21205, USA.
Abstract
The function of the mammalian neocortex relies on the timing of axon extension and establishment of cell-type-biased patterns of excitatory synaptic connections. A subtype of excitatory neurons, layer 6 corticothalamic neurons (L6CThNs), ultimately exhibits a marked preference for synapsing onto parvalbumin-positive (PV) inhibitory interneurons over more common excitatory cells in layers 6 and 4 (L6, L4). We show that the intracortical axons of L6CThNs develop in phases, first elongating within L6, then pausing before extending translaminar branches into L4. Decreasing L6CThN excitability selectively enhances axon growth in L6 but not the later elaboration in L4. For both layers, we test whether preferential synaptogenesis onto rarer PV interneurons, or non-selective synapse formation followed by selective pruning, generates adult connectivity. We find that L6CThNs form functional AMPA-receptor-containing synapses preferentially onto PV interneurons. Silent L6CThN synapses are not detected. Our findings show that cell-type-biased synaptogenesis underlies the formation of functional cell-type-specific excitatory connections in the neocortex.
哺乳類新皮質の機能は、軸索の伸長のタイミングと、細胞型に偏った興奮性シナプス接続パターンの確立に依存している。興奮性ニューロンの一種である第6層皮質視床ニューロン（L6CThNs）は、最終的に、第6層および第4層に存在するより多数の興奮性細胞よりも、パルブアルブミン陽性（PV）抑制性介在ニューロンに対して顕著なシナプス形成の選好性を示す。
本研究では、L6CThNsの皮質内軸索が段階的に発達し、まず第6層内で伸長した後、一時的に成長が停止し、その後第4層へ層間枝を伸ばすことを示した。さらに、L6CThNsの興奮性を低下させると、第6層における軸索成長は選択的に増強されるが、第4層での後期の枝分かれには影響しなかった。
また、PV介在ニューロンへの選択的シナプス形成が成体の接続様式を生み出すのか、あるいは非選択的なシナプス形成の後に不要なシナプスが選択的に除去されるのかを検証した。その結果、L6CThNsはAMPA受容体を含む機能的シナプスをPV介在ニューロンに対して選択的に形成し、サイレントシナプスは検出されなかった。
これらの結果は、新皮質における細胞型特異的な興奮性接続の形成が、細胞型に偏ったシナプス形成によって成り立っていることを示している。
Keywords: CP: Developmental biology; CP: Neuroscience; Kir2.1; axon development; cortical circuits; corticothalamic neurons; dendrite development; layer 6; neocortex; silent synapse; somatosensory cortex; synaptogenesis.
ハイライト
・第6層皮質視床ニューロンの皮質内軸索発達は、2つの段階で進行する
・第6層における軸索成長は、他の層とは異なり、内因性の神経活動によって抑制される
・非選択的な細胞型への一過性のサイレントシナプスは観察されない
・選択的なシナプス形成により、興奮性の細胞型特異的な接続が形成される
Discussion
本研究では、第6層皮質視床ニューロン（L6UCThNs）の軸索発達とシナプス形成の関係を詳細に解析し、新皮質回路の形成原理に重要な知見を与えている。まず、軸索発達は一様ではなく、L6内での初期成長、成長の一時停止、そしてL4への再成長という二段階の過程を経ることが明らかになった。このような発達様式は従来あまり報告されておらず、層ごとに異なる時間スケールで回路形成が進む可能性を示している。また、神経活動を低下させるとL6内での軸索分岐が増加したことから、内因性活動は軸索成長を促進するのではなく、むしろ抑制的に働くことが示唆された。この点は、これまでの「神経活動は軸索成長を促進する」という一般的な理解とは対照的であり、発達段階や細胞種に依存した制御機構の存在を示している。
本研究では、L6UCThNsがPV介在ニューロンに対して初期から選択的に機能的シナプスを形成することが示され、非選択的にシナプスを形成した後に不要な結合を剪定するというモデルは支持されなかった。また、サイレントシナプスも検出されなかったことから、非選択的に形成されたシナプスが後に成熟するという機構も否定される。これらの結果は、新皮質における細胞型特異的な接続が「選択的シナプス形成」によって直接構築されることを強く示している。
L6とL4でのシナプス形成のタイミングの違いは、PV介在ニューロンの機能的成熟とも対応しており、入力の発達が標的ニューロンの性質に影響を与える可能性が示唆された。総じて本研究は、軸索発達、神経活動、シナプス選択性が統合的に制御されることで、新皮質の精緻な回路構造が形成されることを明らかにした。
本日は夜遅くまで学生たちが研究を頑張ってくれました。実験を教えてくれたNさんありがとうございました！
