Studies on cell-type-specific map of the Suprachiasmatic neuronal projection

Abstract

The suprachiasmatic nucleus is a bilateral hypothalamic nucleus, enriched with neuromodulatory peptide, including arginine vasopressin (AVP), vasoactive intestinal peptide (VIP), and gastrin-releasing peptide (GRP). While classical tracing studies revealed the major projection pattern of the suprachiasmatic nucleus (SCN), a cell type-specific pathway of SCN projection has not been systematically examined. A recent development in neural tracing technique based on viral vector-mediated gene delivery and sensitive fluorescent proteins allowed tracking of a single neurite across the brain, offering an improved chance to understand the pro-jection pattern of SCN neurons with cell type specificity. To establish a comprehensive anatomical back-ground for circadian regulation of brain functions, I investigated the neural connection of the SCN by a combination of cell type-specific Cre driver lines and adeno-associated virus (AAV) vectors to label major neuronal populations in the SCN. First, I injected AAV expressing EGFP in a Cre DNA recombinase-dependent manner into the SCN of VIP-IRES-Cre and AVP-IRES-Cre knockin mice. SCNAVP neuronal fibers were mainly in the medial preoptic area, supraoptic nucleus, median eminence, and paraventricular thalamus. SCNVIP neuronal fibers were observed in the several brain regions including the lateral septum, posterodorsal medial amygdala, bed nucleus of the stria terminalis, medial preoptic area, ventromedial hypothalamus, dorsomedial hypothalamic nucleus, arcuate nucleus, and posterior hypothalamus. Then I examined SCN projection using retrogradely transported viral tracer, AAVretro-EF1α-mCherry-IRES-Cre. Immunohistochemical analysis of retrograde viral tracing revealed a differential innervation pattern of SCN AVP+, VIP+, and GRP+ neurons. To summarize, I describe a cell type-specific pathway of SCN connection with special emphasis on AVP+, VIP+, and GRP+ neurons, providing an anatomical framework to understand circadian control of brain functions.|시교차상핵은 시상하부 기저면에 양쪽으로 존재하며, 아르기닌바소프레신 (AVP), 혈관작동성장펩타이드 (VIP), 가스트린방출펩타이드를 발현하는 신경세포들이 많이 존재한다. 고전적인 신경 추적 연구는 시교차상핵의 주요 투영 패턴을 밝혀냈지만, 시교차상핵의 세포 유형별 투영 패턴을 전체적으로 살펴본 것은 없었다. 바이러스 벡터 매개 유전자 전달과 형광 단백질에 기반으로 한 최근의 신경 추적 기술은 뇌의 단일 신경 돌기를 추적할 수 있으며 세포 유형 특이성을 지닌 SCN 뉴런의 투사 패턴을 이해할 수 있는 가능성을 높였다. 일주기 리듬의 뇌 기능 조절에 대한 포괄적인 해부학적 배경을 확립하기 위하여, 세포 유형별 Cre 드라이버 라인과 Adeno 관련 바이러스 벡터 (AAV)를 조합하여 SCN의 신경 연결을 조사했다. 먼저, VIP-IRES-Cre 및 AVP-IRES-Cre 마우스의 SCN에 Cre DNA recom-binase에 의존적으로 EGFP를 발현하는 AAV를 주입했다. SCNAVP 신경 섬유는 주로 시삭상핵 (supraoptic nucleus)와 시상하부의 정중융기 (median eminence), 뇌 방실 시상 하부 (paraventricular hypothalamus)에 있었다. SCNVIP 신경 섬유는 외측 중격 (lateral septum), 후 측벽 내 편도 (posterodorsal medial amygdala), 분계선조 침대핵 (bed nucleus of stria terminalis), 내측 시각교차앞구역 (medial preoptic area) 및 복내측 시상하부 (ventromedial hypothalamus) 후내방 시상 하부 (dorsomedial hypotha-lamic nucleus), 시상하부 활꼴핵 (arcuate nucleus)와 후시상하부 (posterior hypo-thalamus)를 포함한 여러 뇌 영역에서 관찰되었다. 그런 다음 역행성 바이러스 추적자인 AAVretro-EF1α-mCherry-IRES-Cre을 사용하여 SCN 투영을 검사했다. 역행성 바이러스 추적에 대한 면역 조직 화학 분석을 통해 SCN의 AVP+, VIP+ 및 GRP+ 뉴런의 서로 다른 신경 분포 패턴을 나타냈다. 요약하자면 AVP+, VIP+. 및 GRP+ 뉴런에 특히 중점을 두고 SCN과 연결된 세포 유형별 경로를 설명하고 일주기 리듬의 뇌 기능 조절에 대해 이해할 수 있는 해부학적 체계를 기술하고 있다.