日本生物学的精神医学会誌 33 巻 2 号（2022）/Japanese Journal of Biological Psychiatry Vol.33, No.2, 2022

特集 153

発達障害研究最前線─細胞から臨床まで─

3 ．社会行動や発達視点からみた前頭前野の神経回路機構
山室和彦＊

抄録：幼少期の社会的孤立は成人期の社会性行動を低下させるが，その神経回路のメカニズムはよくわかっていない。本研究では離乳直後の 2 週間の社会的隔離により，新規マウス曝露時に後部視床室傍核に投射する内側前頭前野（mPFC → pPVT）投射錐体細胞の活性化が低下することを明らかにした。
mPFC → pPVT 神経回路の活動を光遺伝学的手法にて抑制すると社会性行動障害がみられた。幼若期の隔離によって，成体期で mPFC → pPVT 投射錐体細胞の細胞興奮性が低下し，ソマトスタチン発現低閾値スパイクインターニューロンからの抑制性入力が増加するという社会性行動障害を引き起こす神経回路メカニズムを明らかにした。さらに，mPFC → pPVT 神経回路を光遺伝学的に活性化することで，幼若期隔離による社会性行動障害を改善できることが示唆された。筆者らは，社会性行動に必要な mPFC → pPVT 投射錐体細胞の細胞興奮性およびその関連する抑制性回路が幼若期の社会的経験によって大きく影響を受けることを明らかにした。
日本生物学的精神医学会誌 33（2）：53‑57, 2022
Key words：sociability，social isolation，medial prefrontal cortex，
posterior paraventricular nucleus thalamus，low‑threshold‑spiking somatostatin
社会的孤立がメンタルヘルスへの深刻な脅威とし
6，17，21）。特に幼少期て注目されるようになっているの社会的孤立は，ヒトだけでなく哺乳類の成体期の1，9，16，19）。幼少期に里社会性行動に悪影響を与える
親に預けられて社会的に恵まれない施設の養育環境から離れた子どもは，里親に預けられたことがない子どもや，後の年齢で里親に預けられた子どもと比較して，機能的転帰が改善されたと報告されてい1，19）。マウスの離乳直後 2 週間（生後 21 〜 35 日る齢）のみ 1 匹飼いをする幼若期隔離マウスモデル（juvenile social isolation：jSI）は，成体期での社会16）性行動の低下につながる 。これは，幼若期の社会的経験が成体期の社会性行動の確立にとって敏感な時期であることを示唆している。また，ヒトと齧歯動物での多くの研究は社会性行動を調節する脳ネッ
トワークの重要な中枢として内側前頭前野（medial4）
prefrontal cortex：mPFC）が広く知られている 。
マウスの最近の研究では mPFC の皮質下に投射する深層の錐体細胞が幼若期隔離に対して脆弱であり，成体期での同細胞の細胞興奮性とシナプス駆動を低下させることが報告されているが ，皮質下投射部位は不明のままであった。そのため，社会性行動を構築するために幼若期の社会的経験を必要とする mPFC →皮質下領域の神経回路の特定を試み
23）
た 。
24）

1．mPFC → pPVT 神経回路は社会性行動に重要
mPFC からの投射を受け取るどの皮質下領域が社会性行動に重要であるかを検証するために，まず最初期遺伝子 c‑Fos を用いて全脳マッピングを行った。 後 部 視 床 室 傍 核（posterior paraventricularnucleus thalamus：pPVT）が，もっとも強く反応したのが新規マウスへの曝露，次に新規オブジェクト
へ の 曝 露， 続 い て 曝 露 な し の 順 で あ っ た。 次 にpPVT に投射する mPFC 深層の錐体細胞は，グループ飼育（group housing：GH）マウスでは新規オブジェクトへの曝露と比較して新規マウスへの曝露によって活性化されたが，一方で jSI マウスではそのNeural circuit mechanisms in the prefrontal cortex from social behavioral and developmental perspectives＊奈良県立医科大学 精神医学講座（〒 634‑8522 奈良県橿原市四条町 840）Kazuhiko Yamamuro：Department of Psychiatry,
Nara Medical University School of Medicine. 840 Shijocho, Kashihara, Nara 634‑0813, Japan
【山室 和彦 E ─ mail：muro@naramed‑u.ac.jp】

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活性化がみられなかった。さらにファイバーフォト
メトリーを用いて，社会性行動中の mPFC → pPVT
投 射 錐 体 細 胞 の リ ア ル タ イ ム 活 動 を 検 証 し た。
GCaMP6f を発現する mPFC → pPVT 投射錐体細胞
は，GH マウスに新規オブジェクトを曝露するよりも，新規マウスを曝露したほうがより強力に活性化されたが，jSI マウスではその活性がみられなかった。 こ れ ら の 結 果 か ら， 社 会 性 行 動 に か か わ る
mPFC → pPVT 神経回路が適切に構築されるためには，幼若期の社会的経験が必要であることが示唆された。mPFC → pPVT 投射錐体細胞の活動が社会性に必要であることをさらに検証するため，pPVT のmPFC 投射末端の活動を光遺伝学的手法により抑制を行った。CaMKII プロモーター下で eNpHR3.0 を発現する AAV ウイルスを mPFC に注入し，pPVT上に埋め込まれた黄色の発光ダイオード（LED）をワイヤレスで照射することにより，mPFC → pPVT神経回路を選択的に抑制した。この操作は，pPVTの細胞の活動を部分的に低下させるが，不安関連または運動行動に影響を与えることなく社会性行動を低下させた。一方で mCherry を発現する対照マウスでは行動への影響はなかった。重要なことに，この操作は自然の食物嗜好に影響を与えなかったことから，社会性行動の低下は自然の報酬関連行動の結果ではないことが示唆されている。つまり，これらの結果は mPFC → pPVT 投影錐体細胞と社会性行動との間の因果関係を示しているといえる。
mPFC → pPVT 神経回路の活性化が GH マウスの社会性を高めるかについて光遺伝学的手法と3chamber を用いて検証した。CaMKII プロモーター
下 で チ ャ ネ ル ロ ド プ シ ン（channel rhodopsin 2：ChR2）を発現する AAV ウイルスを mPFC に注入し，pPVT 上に埋め込まれた青色 LED をワイヤレスで照射することにより，mPFC → pPVT 神経回路を選択的に活性化した。3chamber の片方のチャンバーには新規マウスを，もう片方には新規オブジェクトを入れ，それらの周囲でのみ活性化を行ったところ，新規マウスでは社会性が向上したが，新規オブジェクトでは社会性が低下した。さらに，3chamber で
い ず れ の チ ャ ン バ ー も 空 に し た 状 態 で， 片 方 のチャンバーでのみ活性化を行ったところ，活性化を行ったチャンバーでの探索時間が増加したが，この効果は光刺激の終了後すぐに消えた。これらの結果から，mPFC → pPVT 神経回路の光遺伝学的手法による活性化は，社会性を高めるために活用できる可能性が示唆された。

2．幼若期の隔離による
mPFC → pPVT 神経回路の細胞興奮性の低下と自発的抑制性シナプス後電流の増加
次に幼若期隔離によって引き起こされた mPFC→ pPVT 神経回路を細胞および回路レベルのメカニズムの解明のためホールセルパッチクランプ法を用いて解析した。jSI マウスの mPFC → pPVT 投射錐体細胞は GH マウスと比較して，細胞興奮性の低下と自発的抑制性シナプス後電流（spontaneous inhibitorypostsynaptic current：sIPSC）の頻度が有意に増加した。さらに，jSI マウスでは GH マウスと比較して自発性興奮性シナプス後電流（spontaneous excitatory
postsynaptic current：sEPSC）の頻度が減少する傾向がみられた。これらの変化は，GH マウスと比較して jSI マウスでの mPFC → pPVT 投射錐体細胞における sEPSC / sIPSC 頻度の比（E / I ratio）の有意な減少につながることが明らかになった。注目すべきことに，生後 35 日齢（生後 21 日から 2 週間隔離飼育をした最終日）では幼若期隔離の影響はみられなかった。つまり，幼若期隔離の効果は成体期になって初めて観察されるといえる。幼若期隔離の影響が mPFC → pPVT 投射錐体細胞において特異的であることを検証するため，側坐核および対側mPFC への投射錐体細胞を同様の方法を用いて検証を行ったが，細胞興奮性および E/I ratio に影響はみられなかった。これらの結果から，mPFC → pPVT投射錐体細胞および関連する抑制性回路が幼若期隔離に対して特に脆弱であることが示唆される。
mPFC → pPVT 神経回路の機能的障害を検証するために，ChR2 発現する AAV ウイルスを mPFC に注入する光遺伝学的手法を用いた活性化と，pPVT神経細胞からのホールセルパッチクランプ法を組み合わせて行った。GH および jSI マウスでも pPVT神経細胞の大部分は誘発反応を示した。一方で，
GH マウスと比較して jSI マウスでは，シナプスの放出機構（paired pulse inhibition：PPI）に違いはみられなかったが，GH マウスと比較して jSI マウスでは有意に誘発反応は低下した。これらの結果から，幼若期隔離が pPVT 神経細胞への誘発された興奮性シナプス伝達の持続的な減少を引き起こすことが示唆された。また，mPFC → pPVT 投射錐体細胞とは対照的に，pPVT 神経細胞自体は幼若期隔離による影響はみられなかった。
mPFC におけるソマトスタチン発現低閾値スパイク（low‑threshold‑spiking somatostatin：LTS‑SST）
インターニューロンは，GH マウスと比較して jSI マ

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ウスの細胞興奮性が増加し，
このインターニューロンの excitatory designer receptors exclusively activated

生後 21 日齢

健常マウス

離乳

by designer drugs（eDREADD）による化学遺伝学的手法を用いた選択的な活性化は GH マウスの社会性行動を低下させた。これらの結果は，幼若期隔離

55

幼若期隔離マウス

生後 35 日齢が LTS‑SST インターニューロンの活動を増加させ，
mPFC → pPVT 投射錐体細胞の活動の低下と社会性行動の低下に寄与することが示唆される。

成体期

3．jSI マウスの社会性行動障害のmPFC → pPVT 神経回路の活性化による改善

前頭前野第Ⅴ/Ⅵ層

次に，mPFC → pPVT 神経回路の活性化が jSI マウスの社会性行動を改善させるかについて光遺伝学的手法と 3chamber を用いて検証した。CaMKII プ
ロモーター下で ChR2 を発現する AAV ウイルスをmPFC に注入し，pPVT 上に埋め込まれた青色 LEDをワイヤレスで照射することにより，
mPFC → pPVT神経回路を選択的に活性化した。結果として，不安関連または運動行動に影響を与えることなく，jSI
マウスでみられる社会性行動の低下を改善させた。
一方で，mCherry を発現するコントロール jSI マウスではいずれのタスクにおいても影響がみられなかった。
最後に mPFC → pPVT 神経回路の選択的で持続的な活性化が jSI マウスの社会性行動の持続的な改善 に つ な が る の か を 検 証 し た。 具 体 的 に は，3chamber の片方のチャンバーには新規マウスを，もう片方には新規オブジェクトを入れ，連続 2 日間，新規マウスの周辺でのみ同回路を活性化させ翌日は光刺激なしで同様の実験を行ったところ，社会性行動の改善が持続した。これらの結果から，光遺伝学的手法による社会性行動の改善は一過性のみではな
く，連続で刺激することにより持続することが明らかになった。
今回の研究では，mPFC → pPVT 神経回路は幼若期の社会的経験によって影響を受けること，成体期で の 社 会 性 行 動 に 必 要 で あ る こ と が わ か っ た。
mPFC → pPVT 神経回路への幼若期の社会的経験による影響は生後 35 日齢（隔離期間の最終日）では観察されず，成体期になって初めてみられるということから生後 35 日齢からの環境によって引き起こされた可能性が示唆される。幼若期の行動の可塑性には臨界期がある可能性があり，一度閉じられると社会的戦略を調整することができないかもしれな
い。pPVT が，側坐核，分界条床核，および扁桃体中央部を含むさまざまな報酬関連領域へ投射するこ

LTS-SST錐体細胞

錐体細胞

神経細胞活性化

後部視床室傍核
社会性行動

図1

mPFC-pPVT 神経回路と社会性行動（文献 23 より改変），mPFC → pPVT 神経回路は脳ネッとを考えるとトワークのトップダウン制御にとって重要な役割を演じている可能性がある。SST インターニュー20）
ロンの多様なサブタイプの中で ，LTS‑SST 細胞
8，12）は，ゆっくりとしたリズミカルなバースト活動とリバウンド励起を通じて，mPFC から皮質下に投射する深層錐体細胞の長期同期発火を開始および維持に10）関与していることが報告されている 。したがって，
LTS‑SST 細胞は，mPFC → pPVT ニューロンをリズミカルに活性化し，mPFC‑pPVT の同期を促進することにより，社会性行動においてきわめて重要な役割を果たしている可能性がある。
今回の研究（図 1）によって mPFC の社会性行動に関連するネットワークの複雑さに新たな神経回路が追加されることになるが，マウスの社会性行動中の mPFC の錐体細胞の多様な活性化パターンを示
11，13 〜 15）。mPFC からす最近の研究と一致している
外側手綱核への投射などは，その神経回路が活性化
3，15，18，25），されたときに社会性行動が低下するがmPFC → pPVT 投射錐体細胞の活性化と同様に，小日本生物学的精神医学会誌 33 巻 2 号（2022）/Japanese Journal of Biological Psychiatry Vol.33, No.2, 202256

脳から腹側被蓋野への投射は，同回路の活性化によ7）
り社会性行動が高まることが報告されている 。
mPFC 投射錐体細胞のさまざまな集団がいかに社会8 ）Dong X, Li S and Kirouac GJ（2017）Collateraliza-的行動を制御し，さらには皮質下ネットワークにどのように影響するかを明らかにするためにはさらなる研究が必要である。

cleus of the stria terminalis, and central nucleus oftion of projections from the paraventricular nucleusof the thalamus to the nucleus accumbens, bed nuthe amygdala. Brain Struct Funct, 222：3927‑3943.
9 ）Freedman DG, King JA and Elliot O（1961）Critical以前の遺伝的および転写学的研究において，自閉症および統合失調症の多くのリスク遺伝子が胎児および乳児の mPFC の L5/6 錐体細胞で高度に発現し2，22）。齧歯動物の研究ていることが報告されているでは，自閉症リスク遺伝子をノックアウトしたマウ

10）Hilscher MM, Leão RN, Edwards SJ, et al（2017）

スモデルで mPFC の皮質下に投射する L5/6 錐体細5）胞の機能が障害されることも報告されている 。
mPFC → pPVT 投射錐体細胞および関連する LTS‑11）Kingsbur y L, Huang S, Wang J, et al（2019）Cor-

SST インターニューロンは，経験依存的で，社会環境にも敏感であるため，経頭蓋磁気刺激および経頭蓋直流などの非侵襲的技術を使用することで精神疾患における社会性行動障害の有望な治療ターゲットとなることが期待される。
本論文に記載した筆者らの研究に関してすべて倫理的配慮を行っている。開示すべき利益相反は存在しない。

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178.

A prefrontal‑paraventricular thalamus circuit re-■ ABSTRACT
Neural circuit mechanisms in the prefrontal cortex from social behavioral and developmental perspectives

Kazuhiko Yamamuro
Department of Psychiatry, Nara Medical University School of Medicine
Juvenile social isolation reduces sociability in adulthood, but the underlying neural circuit mechanisms are poorly
understood. We found that, in male mice, 2weeks of social isolation immediately following weaning leads to a failure toactivate medial prefrontal cortex neurons projecting to the posterior paraventricular thalamus（mPFC → pPVT）duringsocial exposure in adulthood. Chemogenetic or optogenetic suppression of mPFC → pPVT activity in adulthood was
sufficient to induce sociability deficits without affecting anxiety‑related behaviors or preference toward rewarding food.
Juvenile isolation led to both reduced excitability of mPFC → pPVT neurons and increased inhibitory input drive from low‑
threshold‑spiking somatostatin interneurons in adulthood, suggesting a circuit mechanism underlying sociability deficits.
Chemogenetic or optogenetic stimulation of mPFC → pPVT neurons in adulthood could rescue the sociability deficits
caused by juvenile isolation. Our study identifies a pair of specific medial prefrontal cortex excitatory and inhibitory neuron
populations required for sociability that are profoundly affected by juvenile social experience.
（Japanese Journal of Biological Psychiatry 33（2）：53 ─ 57, 2022）