Neuroscience, 2026 Volume: 614 Pages: 200–215 DOI: 10.1016/j.neuroscience.2026.08.014

Standardized depth-resolved mapping of anterior cingulate cortex synaptic markers reveals inhibitory marker alterations following prenatal valproic acid exposure 「前帯状皮質シナプスマーカーの標準化・深度分解マッピングにより、胎生期バルプロ酸曝露後の抑制性マーカー変化が明らかになる」

Mirei Matsumuro, Sotaro Ichinose et al.

Department of Anatomy, Gunma University Graduate School of Medicine, Maebashi 371-8511, Japan

Background

E/Iバランスの破綻は、自閉スペクトラム症を含む神経発達障害に関与すると考えられている。しかし「E/I imbalance」といっても、必ずしも興奮性入力そのものが増えるわけではない。

胎生期VPA曝露モデルでは、過去に、

• neocortexにおけるNMDAR依存性シナプス可塑性の亢進
• medial prefrontal cortexにおける局所興奮性結合の増強
• parvalbumin（PV）免疫反応性の低下
• primary somatosensory cortexにおけるGABAergic transmission低下

などが報告されてきた。

さらにQi et al.（2022）は胎生期VPA曝露によって、ACCで興奮性・抑制性シナプス伝達の双方および関連シナプスタンパク質が発達期に低下することを報告している。したがってVPAモデルのE/I dysregulationは、「興奮増加」という単純なモデルではなく、脳領域、細胞種、発達段階、測定方法によって、興奮増加・抑制低下・両者の低下など異なる形をとる可能性がある。ACCは社会行動、認知制御、感情調節、柔軟な行動適応に重要な脳領域である。一方でACCは湾曲しており、皮質層の位置もdorsal–ventral方向で単純ではない。そのため動物間で「同じ皮質深度」を比較するための解剖学的標準化が必要であった。

Abstract

神経回路が安定して機能しながら柔軟な行動を実現するには、興奮性入力と抑制性入力の適切な協調、すなわちE/Iバランスが重要である。一方、神経発達障害ではE/I imbalanceが重要と考えられているものの、皮質内のシナプスマーカー分布を解剖学的深度ごとに定量し、それを同じ個体の行動と結び付ける組織学的手法は十分整備されていなかった。本研究では雄C57BL/6Jマウスを使用し、ACCの曲率や切片方向の違いを補正するため、perspective transformationとlogarithmic transformationを組み合わせた標準化深度マッピング法を構築した。興奮性シナプス後部の指標としてPSD-95、抑制性シナプス後部の指標としてgephyrinを免疫染色し、胎生期VPA曝露群と対照群を比較した。その結果、VPA群ではACC全体にわたってgephyrin陽性抑制性シナプスマーカーが広範に減少した。一方、PSD-95陽性興奮性マーカーの変化は比較的小さかった。そのためE/I関連指標は興奮側へシフトしたが、これは強い興奮性シナプス増加ではなく、主として抑制性マーカーの減少を反映していた。行動面では、社会的相互作用および不安関連行動が変化し、working memory関連指標にも比較的小さな変化が認められた。さらにPCAを含む多変量解析から、ACCシナプスマーカー構成と個体ごとの行動変動との関連が示された。追加解析として、自発運動を導入すると、一部の行動指標およびACCシナプスマーカーに変化が認められた。

結果

本研究では、胎生期バルプロ酸（VPA）曝露が前帯状皮質（ACC）のシナプス構造と行動に与える影響を解析した。その結果、最も明確な変化は、抑制性シナプスマーカーgephyrinの広範な減少であった。normalized cortical depth 10%では、gephyrin densityがControl群の47.7 ± 4.7に対しVPA群では34.7 ± 7.3まで低下し、BH-FDR補正後も有意であった（q = 0.0001）。gephyrin puncta areaも1.40 ± 0.020 µm²から1.36 ± 0.027 µm²へ低下した（q = 0.0004）。一方、興奮性シナプスマーカーPSD-95は同じ深度でdensityがControl 165.4 ± 9.9、VPA 180.2 ± 13.5であり、有意差は認められなかった（q = 0.081）。したがって、VPA群で認められたE/I関連指標の上昇は、興奮性シナプスの明確な増加ではなく、主として抑制性シナプスマーカーの減少によるものと解釈された。

行動解析では、VPA群の社会的相互作用時間がControl群の283.1 ± 88.2秒から173.6 ± 66.0秒へ有意に減少した（p = 0.0058）。Y-mazeではre-entry ratioが**6.5 ± 6.1%から18.1 ± 17.3%へ増加した（p = 0.0158）一方、alternation rateは63.3 ± 16.5%から49.9 ± 18.9%へ低下したものの有意差には至らなかった（p = 0.0921）。また、elevated plus mazeのopen-arm timeは8.1 ± 5.3%から13.1 ± 4.9%へ増加し（p = 0.0341）、open fieldのcenter occupancyも10.7 ± 4.0%から14.4 ± 3.0%**へ増加した（p = 0.0246）。一方、open field総移動距離には有意差がなく、これらの行動変化は単純な運動機能障害では説明できなかった。

さらに、表層10–20%深度のPSD-95 densityはY-maze performanceと関連し、alternation rateとはr = −0.575、re-entry ratioとはr = 0.647であった。ただし、全60比較に対する多重比較補正後には有意性を失ったため、探索的な関連として解釈された。PCAではPC1が36.6%、PC2が29.9%の分散を説明し、ACCシナプスマーカーとworking memory、社会行動、不安関連行動が協調して変動することが示された。以上から、胎生期VPA曝露はACCの抑制性シナプス構造を広範に変化させ、その変化が複数の行動表現型と関連することが示唆された。

Discussion

本研究のDiscussionでは、胎生期VPA曝露によってACCの抑制性シナプス後部構造が広範に障害される可能性が中心的に論じられている。最も重要な所見はgephyrin陽性punctaの減少であり、これは抑制性シナプス数そのものの減少、あるいはGABA(_A)受容体を固定するgephyrin scaffoldの形成・安定性低下を反映すると考えられる。過去のVPA研究でもACCや扁桃体におけるgephyrin、VGAT、GABA関連分子や抑制性シナプス伝達の低下が報告されており、本研究はそれらと整合する。一方、PSD-95の変化は小さかったため、E/I関連指標の上昇は「興奮性シナプスの増加」ではなく、主として抑制性シナプスマーカーの低下による相対的なシフトと解釈される。ただしPSD-95とgephyrinは構造マーカーであり、シナプス電流や神経細胞興奮性を直接測定していないため、生理学的E/I balanceの変化を証明したものではない。

VPAが抑制性シナプスを障害する機序として、著者らはVPAのHDAC阻害作用による遺伝子発現変化、BDNFシグナル低下、astrocyteを介したGABAergic synapse形成障害などを候補として挙げている。ただし、これらは本研究で直接検証されておらず仮説の段階である。ACCは社会行動、認知制御、情動調節に関与するため、抑制性シナプス構造の低下によって入力統合の時間精度や選択性が低下し、社会的相互作用やY-maze行動の変化につながった可能性が議論されている。一方、不安様行動は従来のVPA研究とは異なり低下する方向を示しており、VPA投与条件、発達段階、試験条件などによる表現型の多様性が示唆される。

また、シナプスマーカーと行動との相関は一部で認められたものの、多重比較補正後には多くが有意でなくなったため、著者らは単一のシナプスマーカーが行動異常を説明するとは結論していない。PCAではACCシナプスマーカーと複数の行動指標が協調して変動することが示され、VPA表現型を複数の神経構造・行動特徴からなるsynapse–behavior stateとして捉えることが提案された。さらに自発運動によって一部の行動とシナプスマーカーが変化したことから、この状態には出生後も一定の可塑性が残る可能性が示された。ただし運動による完全な「レスキュー」は証明されておらず、今後はcell-type-specific解析、電気生理、calcium imaging、ACC抑制性回路の直接操作によって因果関係を検証する必要がある。