Frontiers｜Reconsidering Tonotopic Maps in Auditory Cortex and Lemniscal Auditory Thalamus in Mice｜Frontiers in Neural Circuits

はじめに

聴覚上昇路は哺乳類の聴覚野（AC）に音情報を伝える重要なシステムであり、聴覚皮質と視床の間に位置し、視床と視床の間に位置する。耳を起点とする経路はレムニスカルの経路と呼ばれ、中脳の下丘中心核（ICc）、視床の内側被蓋体（MGB）腹側部（MGv）などを経て、ACに至る（Lee and Sherman, 2010; Lee et al. 哺乳類の聴覚を理解するためには、これらの聴覚核とACの下位領域の機能的役割を一つ一つ明らかにすることが重要である。例えば、ICの明確な機能として、聴覚間時間差を参照した音の定位検出が明らかにされている（Fujita and Konishi, 1991; Grothe et al.、2010）。このICの成功は、音の定位に優れたメンフクロウという適切な動物モデルを用いた研究によって達成された。しかし、視床とACは非常に複雑な機能と働きを持っているためか、聴覚に関する知見はほとんどない。 MGvとACを研究するためには、中枢聴覚系の多面的な側面を観察するための様々な実験手段を備えた適切な動物モデルが必要である。

この10年、マウスは聴覚研究に適した動物モデルとして登場した。マウスは、トノトピー（Bandyopadhyay et al., 2010; Rothschild et al., 2010; Guo et al., 2012; Winkowski and Kanold, 2013; Issa et al., 2014; Barnstedt et al., 2015）の生理学的分析、発達（Barkat et al, 2011）、報酬関連可塑性（Ohshima et al., 2010; Kato et al., 2015）、ホルモンとの関係（Marlin et al., 2015）および行動（Schneider et al., 2014）、マルチモーダル相互作用（Lesicko et al., 2016）、老化（Brewton et al., 2016）である。しかし、中枢聴覚系研究におけるマウスの使用は、洗練された遺伝的扱いやすさなどの利点があるにもかかわらず、まだ限定的である（Yang et al.、2013）。大脳皮質の他の領域、特に視覚野（VC）を含む研究により、マウスの皮質表面地図はますます細かくなり（Garrett et al.、2014）、その結果、異なる領域の機能特性（Juvinett and Callaway、2015）や結合性（D’Souza et al.、2016）が明らかにされています。したがって、マウスは視覚研究にとって不可欠なプラットフォームとなっている。したがって、マウス聴覚系の解剖学的に正確な姿を描き出すことは、中枢聴覚系の機能に関するさらなる生理学的研究を可能にするために不可欠である。このミニレビューでは、これまでマウスで明らかにされてきた聴覚視床皮質の巨視的構造について簡単に述べる。

マウス聴覚皮質における複数のトノトピック領域

今日の神経科学研究は、哺乳類の脳が場所によって機能モジュールに分割されているという機能特化の理論に基づいて行われている（Kanwisher、2010；Zilles and Amunts、2010）。この原則を考慮し、ACはさらにいくつかの小領域に分けられ、それぞれが音処理に対して明確な領域機能を持つはずである。これらの小領域の空間的配置は、一般に聴覚皮質マップとして表現され、図示される。そのため、より詳細なACマップは、すべての生理学的研究がこのマップに基づいて行われるため、明確な領域機能を調査するためのより良いプラットフォームとなる。この成果は、神経細胞が最も興奮閾値を低くする周波数である特性周波数（CF）の分布をユニット記録により調べ、予備知識なしに複数の聴覚領域を同定した点で評価できる。このマップは、ACを、前耳野（AAF）と一次聴覚野（A1）の2つのトノトピック領域と、二次聴覚野（A2）、超音波野（UF）、背後聴覚野（DP）の3つの非トノトピック領域（図1）の5小領域で表現した。注目すべきは、AAFとA1のトノトピーが約40kHz以下に制限されているのに対し、「UF」はCFが40kHz以上のニューロンが局在するACの背後角の領域として設定されていることである。 UF」の分離存在は、発声コミュニケーションに40kHz以上の超音波を用いるマウスにおけるACの特徴あるいはシンボルと考えられる（Ehret, 1987; Holy and Guo, 2005; Asaba et al, 2014）

図1

図1．フラボ蛋白蛍光イメージング（FFI）を用いて可視化したマウス聴覚野の新しいマップ。 (A）FFIを用いて明らかにしたマウスACの6つのサブ領域の定量的サーフェスマップ。これらのパネルは、Tsukano et al.（2016）より改変した。 AC、聴覚皮質；Cb、小脳；MCA、内側大脳動脈；OB、嗅球；RF、鼻骨裂；SC、体性感覚皮質；VC、視覚皮質。 (B）オリジナルのマップ（Stieblerら、1997）と、近年の光イメージング研究の結果に基づくマップ（Sawatariら、2011；Tsukanoら、2015）の図解。これらの AC マップは、2/3 層に横たわるマップを反映していると考えられる。 (C)冠状図における6つの聴覚小領域の描画。バー、1mm。これらのパネルは塚野ら（2016）より改変した。

脳表面を均一に観察できる光学イメージング（Hishidaら、2014；Matsuiら、2016）は、マウスACマップの微細な可視化の追加または代替ツールになると思われる。ここでは、光イメージングと電気生理学を用いたマッピングの長所と短所について述べる。光イメージングでは、大脳皮質表面の神経反応を一目で可視化できるため、脳に電極を密に刺すような侵襲的な操作が不要である。特に、フラボプロテイン蛍光イメージング（FFI; Shibuki et al., 2003）やCre依存性GCaMP発現マウスを用いたイメージング（Zariwala et al., 2012）は、脳内に独自かつ均一に発現した蛍光色素を介して神経反応を観察するため、開頭やカルシウム感受性色素の塗布が不要で、経頭蓋での観察が可能である。実際、これらの方法を用いて、一次視覚野（吉武ら、2013）や高次視覚野（遠見ら、2009、2014；Andermannら、2011）の皮質表面上の微細な反応を可視化することができた。しかし、光イメージングには電気生理学と比較していくつかの欠点がある。まず、電位感受性色素イメージングを除いて、光イメージングは時間分解能が低い。第二に、どの層から信号が検出されるかが不明である。マウスでは、光イメージングが2/3層の反応を可視化すると想定されている：これは、光イメージングを用いて観察された生理学的特性が、2光子イメージングを用いて観察された2/3層ニューロンの特性と一致するため（Tohmi et al.、2014）、また青励光の透過性が比較的低いためである。第三に、電気生理は視床などの脳深部領域を調べるのに有効である（Hackett et al.、2011）。最後に、シングルニューロン規模の解析には、光学イメージングが利用できない。このように、メリットとデメリットを理解した上で、目的に応じて適切な手法を選択することが重要であることがわかる。

上記のメリットを生かし、光イメージングによって聴覚小領域の細かい反応を可視化し、マウスACの新しいマップを提案することができた。 GCaMP3発現マウスを用いたFFIとイメージングにより作成したマウスACマップは、従来のマップと以下の点で異なっている。 (1) 少なくともC57BL/6マウスでは、聴覚領域の大きさと位置は両半球で対称である（塚野ら, 2016）。 (2) 古典的にA1と注釈されていた領域は、A1と背内側野（DM; Tsukano et al., 2013a, 2015, 2017）という2つのトノトピック領域に分けられる。実際、Issaら（2014）の図7に示すように、緻密で高品質な電気生理学的マッピングにより、この2つの領域を区別することに成功した（Guo et al.、2012）。 (3) A2は背中心方向に走るtonotopic配置を持つ（Kubota et al., 2008; Issa et al., 2014; Tsukano et al., 2015, 2016）。 (4) AAFのトノトピック方向は背中心方向に走行する（Tsukano et al., 2015, 2016; Issa et al., 2014）。 (5) 全体として、マウスACには少なくとも6つのサブリージョンが存在する（図1）。 AAF、A1、A2、DMの4つの領域は、トノート状に配置されている。 2つの領域、背前野（DA）とDPは、非同位性領域である。単一ニューロンスケール解析により、これらの非トーントピック領域のニューロンは明確なCFを持つが（Guo et al.、2012）、その空間分布はランダムである（Steebler et al.、1997；Honma et al.、2013）ことが示された。この新しい聴覚皮質地図は、非リン酸化ニューロフィラメント（NNF）の免疫標識によって可視化された細胞構築パターンの地域差を示す解剖学的研究によって裏付けられている。聴覚領域は、別のげっ歯類の研究（Budingerら、2000）で示されたように、マウスの樹状突起の配列と層ごとの分布の点で明確なNNF染色パターンを有する（Horieら、2015年）。さらに、聴覚領域は視床の起源が明確である（堀江ら、2013；竹本ら、2014；塚野ら、2015）。 (6)最後の点が最も強調すべき点で、独立したUFはマウスACには存在しそうにない。この主張は、4つのトノトピック領域（AAF、A1、A2、DM）のすべてが40kHz以上の明瞭な超音波周波数帯域を含むという事実によって裏付けられる（図1；Issa et al, 2014；塚野ら, 2015, 2016）。したがって、UFという用語は時代遅れと考えることができる。最初にUFと注釈された領域は、DMのDAと高周波数帯が混在したものであると推測される。 Stieblerら（1997）の重要な文章がこの考えを支持している：「UFのニューロンの最良の周波数1は、-特にその吻側部分で-ニューロンが周波数変調されたトーンに優先的に反応したため、しばしば決定が困難であった」。 (561頁、下から14行目)。光学イメージングでも、UF付近の周波数変調音によく反応するDAという非トーントピック領域があることが示されている（本間ら、2013；塚野ら、2015）。緻密な電極マッピングはDAの存在を明確に支持しないが（Guo et al., 2012）、電気生理学には単一ニューロンレベルの特性を調べる利点があるため（Joachimsthaler et al., 2014）、今後の調査では別のパラメータを調査することでこの矛盾を解決する可能性が高いだろう。全体として、マウスとよく似たげっ歯類であるラットにもUF様領域が存在しないため、マウスACを他のげっ歯類のACと比較する際には、UF領域の存在が大きな障害になっていた。 UFを放棄することで、異なるげっ歯類の聴覚野を相同化・類似化できる可能性が出てきたため、皮質の空間情報に基づく生理学的研究が容易になった（馬場ら、2016）

Multiple Compartment in the Mouse MGv and Parallel Processing in the Central Lemniscal Auditory System

トノトピーが蝸牛から生じることは良く知られています。音は耳から入り、その振動は蝸牛の脳底膜に伝わります。音の周波数は脳底膜上で一次元の空間配置に変換され、低周波から高周波まで1つのグラデーションとして配列される（Békésy, 1960）。トノトピック勾配は、中枢聴覚上行路、ICc、MGvを経て、A1へと伝えられ（Lee and Sherman, 2010; Lee et al. そのため、ICc (Portfors et al., 2011; Cheung et al., 2012) とMGv (Cetas et al., 2001; Hackett et al., 2011; Moerel et al., 2015) には、種を超えて単一のトノトピック勾配のみが存在し、ACに入ると分岐したり重複することがあるという概念が有力である。

しかし最近の研究によって聴覚視床に新しい構造を発見し、必須の聴覚処理に関わっている可能性が示された。マウスのMGvは単一の単調な構造ではなく、複数のコンパートメントからなり、それぞれが周波数に関連した位相的な投射を皮質の異なるターゲットに生じさせている（図2）。堀江ら（2013）および竹本ら（2014）は、光イメージングを用いて同定した聴覚皮質領域のトノトピック軸に沿って逆行性トレーサーを注入し、MGvの中央部にAAF、A1、島聴野（IAF）へ投射するコンパートメントを見いだした。ネコを用いた先行研究では、レムニスカルの視床皮質経路に平行投射が存在することが示唆されていたが（Huang and Winer, 2000; Lee et al., 2004; Lee and Winer, 2008）、MGvに明確なトノトピーを持つ複数のコンパートメントが存在するという報告はない。ここで、マウスMGvのトポグラフィーをトノトピーと同一視することは現在のところできないことに注意する必要がある。 ACのトノトピック勾配は詳細に研究されているが、MGvのそれは研究されておらず、MGvとACの同一の周波数帯が位相的につながっているかどうかを調べた研究はほとんどない（ネコの研究で1件確認されているが（Lee et al.、2004））。これらの結果は、最近、マウスにおいて、トレーシングと電気生理を組み合わせて、MGvとACの2つのトノトピック勾配が位相的投射を介してつながっていることを確認するために挑戦されました（Hackettら、2011）。著者らは、少なくとも1つの皮質領域におけるトノトピーと、それに対応するMGvコンパートメントにおけるトノトピーがトポロジカルに接続されていることを明確に示した。また、この研究はMGvのトノトピーが単調であるという前提で行われたが、彼らのデータは、MGvの中央部においてCFが後中央軸に中高低に分布しており、トレース実験が示唆する配置（Horie et al, 2013; Takemoto et al, 2014）と整合的であった。吻側コンパートメントがDMに投射することが判明した現在（塚野ら、2015）、マウスでは少なくともMGvとACの間に3つの平行トポロジー接続、MGvとIAFの間に1つのトポロジー接続が明らかにされています（図2）。したがって、皮質の周波数勾配に関連するMGvのすべてのトポグラフィー構成が、MGvニューロンのCF分布の「低→高」勾配と一致することを確認するために、今後の生理学的研究が必要である＜3893＞＜2965＞図2＜8431＞＜2965＞＜4724＞＜801＞図2．マウスの視床皮質聴覚路のリモデリング。 (A）視床皮質聴覚経路の模式図。 ACは内側被蓋体（MGv）の腹側部から視床の入力を受ける。 (B)MGvの内部に見られる複数の区画。背内側野（DM）に投射する神経細胞は吻側区画に局在する（赤；塚野ら、2015）。一次聴覚野（A1）に投射する神経細胞は、MGv中部の外側コンパートメントに局在する（緑色；堀江ら、2013；竹本ら、2014）。前耳野（AAF）に投射する神経細胞は、中MGvの内側コンパートメントに局在する（青；Horie et al.、2013；Takemoto et al.、2014）。島状聴覚野（IAF）に投射する神経細胞は、中MGvの内側コンパートメントに局在する（黄色；Takemoto et al.）各コンパートメントは、その皮質標的への位相的投射を生じさせる。また、マウスMGvの尾側半分は現在未解明であり（塚野ら、2015）、したがって、大賀ら（2015）が示唆するように、ACに残るトノトピック領域である二次聴覚野（A2）に投射するニューロンが尾側MGvコンパートメントに局在する可能性は高い。 (C)複数の平行流からなる視床皮質聴覚路の新しいモデル。下丘中心核（ICc）も周波数構成の異なる複数のコンパートメントで構成されているのか、ICcからMGvへのトノトピーの分岐が起こるのか、今後の研究が必要である。また、MGvの尾側コンパートメントがトポグラフィカルに配置されているかどうかも不明である。このような巨視的な構造に基づく並列経路がレムニスカルの経路に存在することは、皮質の複数のトノトピーが複数の位相的な視床皮質入力によって確立されている可能性を強く示唆している（図2）。なお、大脳皮質におけるトノトピーの皮質皮質形成と視床皮質形成は相互に排他的なものではありません。聴覚情報はA1から始まる皮質内階層的な流れによって伝達されるという一般的な概念では、複数のトノトピー組織はA1のトノトピーを反映していると考えられている。これは皮質トノトピーの等周波帯が互いにつながっているためで間違いない（Schreiner and Winer, 2007; Lee and Winer, 2008）。一方、MGvコンパートメントは、聴覚皮質サブ領域の3b/4層に向かって位相的な投射を送る。そこで視床皮質と皮質皮質の入力が視床皮質ニューロンの樹状突起に収束する可能性がある（Richardson et al.） 3b/4層のトノトピック構成はさらに2/3層に伝えられ、ミクロスケールの複雑さは増すものの、ほぼ元の形を保つ（Guo et al.、2012）。また、レムニスカルの並行経路の存在は、聴覚情報がMGvから直接A1以外の皮質領域に伝達されている可能性を示唆している。従来の概念では、聴覚情報はまず中核領域に入り、その後高次聴覚野にリレーされる（Kaas and Hackett, 2000）とされている。しかし、トノトピーを持たないため高次領域と考えられているDAでさえ、MGvから直接密な投射を受けている（Hofstetter and Ehret, 1992; 本間ら, 2013; Tsukano et al. MGvは、どの音情報を各皮質の標的に送るかを決定するゲーティング機能を有している必要がある。感覚視床は、GABAニューロンで占められ、上行性聴覚入力のゲート制御に関与する視床網様核（TRN）と密接な関係にあることがよく知られている（Cotillon-Williams et al.2008; Kimura et al.2009 ）。 MGvは中継点としてだけでなく、聴覚情報の選択フィルターとして働く可能性が高くなってきた(Blundon and Zakharenko, 2013)。

巨視的構造に基づく視床皮質並列経路は、齧歯類の感覚系に偏在している可能性がある。ラットの聴覚系には視床皮質の並列経路が存在することが報告されている。ラットACにはマウスと同様に複数のトノトピック領域が存在し(Kalatsky et al., 2005; Polley et al., 2007)、これらのトノトピック領域の視床起源は A1とACの腹部は、MGvでは吻側尾側に異なっている（Storace et al, 2011, 2012; Shiramatsu et al, 2016）。このように、視床起始部と皮質標的の空間的関係は、マウスとラットで類似している。さらに、古いトレース実験では、別の齧歯類であるモルモットの聴覚視床皮質経路が並行して存在することが示唆されていた（Redies et al.、1989）。マウスVCでは、光学イメージングを用いて詳細な高次領域が明らかにされており（Tohmi et al., 2009, 2014; Andermann et al., 2011; Marshel et al., 2011）、視覚視床からの起源が異なることから、高次視覚系におけるパラレルストリームの存在が示唆されている（Tohmi et al., 2014）。今後の生理学的研究では、感覚情報のどの部分が視床を経由して皮質下位領域に供給されるかを検討し、並行する視床求心性神経が皮質皮質階層的処理とどのように協調するかを調べる必要がある。

MGvへのレモンディスク視蓋突起は、ICcが起源である。前述したように、ICcは単調な単一構造と考えられている（図2）。しかし、ICcはトノトピーが異なる複数のコンパートメントから構成され、それぞれがMGvのコンパートメントに投射を送ることもありうる。また、ICcのトノトピーは単一であるが、MGvに伝わる際にトノトピーが分岐し、1つのニューロンからMGvの複数のコンパートメントに向かう投射枝が生じることもある。ゲーティングや経路による音の特徴の選択という観点から、どのレモン状核でトノトピーの分岐が生じるかを知ることが重要である。少なくとも、聴覚はこれまで考えられていたよりも複雑な経路で実現されていることを認める必要がある。

結論

マウスでACの詳細な地図とMGvとACからの視床皮質並列投射の新しいスキームが徐々に明らかになり、皮質の多重トノトピーがネズミでは「マルチコア」を表しているという概念につながった（Shorace et al.、2012）。複数の皮質領域への複数の並行した末梢入力と既存の哺乳類の皮質皮質階層的処理（Felleman and Van Essen, 1991; Kaas and Hackett, 2000）を組み合わせる新しい理論やモデルが必要であろう。 tonotopyの存在の機能的意義については現在も議論があるため（Hackett et al., 2011; Aschauer and Rumpel, 2014）、なぜ聴覚視床と皮質の両方が異なるtonotopyを持つ複数の区画と領域を必要とするのか、さらなる研究が必要であると思われる。機能特化理論に基づけば、聴覚皮質の各小領域や区画は、異なる音因子を処理するための明確な役割を担っている可能性があります。このような疑問は、今後の中枢聴覚系の研究において、そのメカニズムを明らかにするために必要不可欠である。 RHとHTakebayashiは、この研究に対して批判的なアイデアとコメントを提供した。 HTsukanoはこの研究のために資金を得た。 HTsukanoは原稿を執筆し、HTsukanoとKSはそれを修正した。 3893>

研究助成

この研究は、日本学術振興会科研費26830008（HTsukanoへ）、金原一郎基金医学・医療振興助成番号15KI149（HTsukanoへ）、基礎科学研究事業助成金No.26830008（HTsukanoへ）の支援を受けて行われた。 3893>

利益相反声明

著者らは、本研究が利益相反の可能性があると解釈されるいかなる商業的または金銭的関係もない状態で行われたことを宣言する。

謝辞

組織学実験の技術支援をいただいた丸山慎太郎氏、松島明彦氏とM． Isogaiに感謝する。

略語

AAF：前聴野、AC：聴覚皮質、A1：一次聴野、A2：二次聴野、CF：特性周波数、DA：背前野、DM：背内側野、DP：背後野。 FFI、フラボプロテイン蛍光イメージング、IAF、島状聴覚野、IC、下小丘、ICc、下小丘中心核、MGB、内側性器状体、MGv、内側性器状体腹側部、TRN、視床網状核、UF、超音波磁場。

脚注

^ 今日、聴覚系における最良周波数（BF）は通常、音調強度が一定の条件下で神経細胞が最も感度の高い周波数と定義される。彼らの論文ではBFという言葉が使われているが、正確には特性周波数（CF）と考えてよい。

Andermann, M.L., Kerlin, A.M., Roumis, D.K., Glickfeld, L.L., and Reid, R.C. (2011). マウス高次視覚野の機能的特化。 Neuron 72, 1025-1039. doi: 10.1016/j.neuron.2011.11.013