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2025-08-29 04:00:00
科学者が回虫のすべてのシナプス接続の最初のマップを作成したとき caenorhabditis elegans 1986年、 多くの人がそれを脳信号の流れの青写真として歓迎しました。しかし、結局のところ、この配線図に基づくニューロン活動のモデルは、生きているワームで測定された脳活動の機能マップにほとんど似ていませんでした。
この切断はワームに限定されません。たとえば、マウスは普及しているように見えます サイレントシナプス– 信号を送信しない有線接続 – およびフルーツフライの視覚システムの一部のセルの実際の応答 一致しないでください コネクトームが予測する応答。
新しい プリプリント 理由を説明するのに役立ちます：ほとんどのネットワーク機能、in C.エレガンス 少なくとも、解剖学的コネクトームと機能的コネクタムの間には保存されていません。しかし、解剖学的コネクトームは、複雑な方法ではありますが、ワームでの神経活動を観察することができます。 プリプリント 同じチームによって、「ほとんどのシグナリングがワイヤに沿って起こっているからです」と言います アンドリュー・ライファー、プリンストン大学の物理学および神経科学の准教授、両方のプリプリントの主任研究者。
[The findings] 解剖学的コネクトームと機能的コネクトームの間に因果関係があるという証拠を提供しますが、これは重要な進歩であると思います。
–
– Hannes Buelow
調査結果は、構造と機能を調整するという長年の課題に対処し始め、シナプス接続の重要性について「完全に間違っていなかった」ことを示しています、と言います ジホンバイ、この仕事に関与していなかったフレッド・ハッチンソンがんセンターの基本科学教授。
のデビュー 色分けされたマップ 2021年のワーム脳の細胞型のうち、神経科学コミュニティを分割します。全脳記録で個々のニューロンを識別し、注釈付き記録をコネクトームと比較することが可能になりました。これは、2つの間に相関がないことを明らかにした演習です。
「当時、この発見は非常に議論の余地がありました」と言います エヴィアタル宣誓、2021年の研究を主導したが、プリプリントには関与していなかったUMass Chan医学部の神経生物学助教授。研究者は、「これが事実であると信じることができなかった人々と、これをハードウェアとソフトウェアの自然な区別と見なした他の人々との間で分けられました」と彼は言います。
独立したチーム 調査結果を再現しました 翌年、イェミニは彼と彼の協力者が今持っていると言います 未発表のデータ 男性と雌雄同体のワームの接続性の違いが、脳の活動における2つのワームの違いと一致しないことを示しています。
一方、の出版 “無線” C.エレガンス Connectome 2023年に、すべてのニューロンがシナプスリンクよりも平均してより多くのニューロペプチダージック接続を形成する密なシグナル伝達ネットワークを明らかにしました。
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Till、これまでのワームの接続性と機能的活性との相関関係を探していた研究は、自発的に活性な細胞に限定されてきました、とライファーは言います。
代わりに、彼と彼の同僚は、線虫の脳のすべてのニューロンを一度に1つずつ体系的に刺激し、残りのニューロンへの影響を追跡することを選択し、考えられるすべてのニューロンペアの3分の2をカバーしました。 113の遺伝的に同一のワームからの応答を平均して、チームは最初の「信号伝播」を作成しました のアトラス C.エレガンス 脳の活動 2023年。
直接的なシナプス接続を持つニューロンは互いに応答する可能性が高く、回答率がより多くのシナプスを分離するニューロン間で減少します、ライファーのチームは、機能的なアトラスを比較したときに発見しました C.エレガンス Connectome。
しかし、彼らがコネクトームを使用してニューロン応答を予測するためにモデルを訓練したとき、2023年の論文で報告されたグループは、ワームに見られる情報の流れのパターンを再現することができませんでした。実際、ニューロンの摂動は、おそらく神経ペプチドシグナル伝達を介して、おそらく標的細胞との解剖学的接続がなかった細胞からの応答をしばしば促しました。シナプス外シグナル伝達の可能性が高い候補として特定されたニューロンペアの中で、神経ペプチド小胞を放出できない変異体ワームで機能的な反応が低下した、と研究が発見した。
その格差にもかかわらず、解剖学的および機能的マップは、より広い組織の観点からよりよく調整される可能性がある、とライファーは言う。 「ネットワークサイエンスは、アーキテクチャのようなネットワークのプロパティが有益で役立つというこの暗黙の仮定に焦点を当てています」と彼は言います。
ほとんどの脳で、ニューロンのサブネットワーク（モジュール）が互いに物理的に接続されていることは、別のニューロンが刺激されたときに同様の活動を示すモジュールと重複しないと、ライファーのチームは報告しました 2つの新しいプレプリントの1つ、昨年12月にArxivに投稿されました 出版のために受け入れられます で PRXライフ 今月初め。唯一の例外は、他の領域とは別のニューロンのコミュニティを含む単純な神経筋臓器である咽頭です。
そして、「リッチクラブ」ニューロン（豊富なつながりがあるもの）を分類しますが、2つ、ほとんど明確なセルのリストが発生しました。 AvelとAver、後方移動に関与するニューロンのペアは、解剖学的接続と機能的接続の両方を多数持つことにより、その傾向に逆らっています。
残りの細胞については、いくつかのニューロンに物理的に接続されていることは、「特定のコンテキストまたは内部状態で一時的に活性である可能性があるため、複数の機能的接続を持つことに変換されません」と研究調査員は言います。 ソフィー・ドヴァリ、ライファーの研究室の大学院生。
その通信の欠如は、研究者がシナプスコネクトームのみを使用して情報の流れを推測できないという証拠を高めることに追加されます。
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n その他のプリプリント昨年11月にBiorxivに投稿されたレイファーと彼の同僚は、2023年の信号伝播アトラスからのニューロン活動データの一部を使用して、残りの活動を推測するためにコンピューターモデルを訓練しました。彼らはモデルをワームのコネクトームに制約し、解剖学的接続に依存する情報の流れの経路を学ぶことを余儀なくされました。
このモデルは、シナプスリンクなしで、接続された細胞とニューロンの間でニューロン応答をキャプチャしました。モデルは、直接接続に依存するのではなく、遠く離れたニューロン間で情報をフェリーすることを可能にする複雑な経路を特定しているように見えます、と研究調査員は言います マシュークリーマー、プリンストン大学の準研究学者。
脳は複雑な方法で作用する動的なシステムです、とクリーマーは言います。たとえば、ニューロンは隣人に信号を送ることができ、それはそれを刺激したニューロンを沈黙させます。 「それはまさに私たちのモデルで説明しようとしている種類のことです。」
2023年の調査結果とは対照的に、接続性はニューロンの反応を推測するために重要であると思われます、とプレプリントは示しています。 CreamerがConnectomeに制約されていないモデルを使用したり、スクランブル接続マップを使用したりすると、モデルのパフォーマンスが低下しました。
調査結果は、「解剖学的コネクティと機能的コネクマムの間に因果関係があるという証拠を提供しますが、これは重要な進歩であると思います」と言います。 Hannes Buelow、どちらの研究にも関与していなかったアルバートアインシュタイン医学部の神経科学教授。
しかし、その因果関係がどこから来ているのかを知っているのはモデルだけです、とBuelowは言います。比較的よく理解されているシグナル伝達経路を含む感覚系など、コネクトームのスライスをテストすることは、因果的な相互作用を明らかにすることができると彼は言います。
ただし、シナプス外シグナル伝達がニューロンの反応にどの程度寄与するかは不明です。モデルがコネクトームを使用してほとんどの信号を複製できることは、ワイヤレス通信がニューロン応答の一部のみを構成することを意味します。
ワイヤレスシグナル伝達は、ワームのほとんどのニューロン通信を考慮していない可能性がありますが、「個々の接続のために非常に重要かもしれません」とクリーマーは言います。そして、動物間の神経反応の変動性は、シナプス以外でどの程度のシグナル伝達が発生するかを過小評価する可能性があると彼は付け加えます。
多数の動物からの機能データを使用してモデルをトレーニングすることは、変動性をよりよく説明する可能性があり、血管外シグナル伝達のより重要な役割を明らかにする可能性があります。今のところ、ライファーと彼のチームは、光学センサーを使用して、神経刺激後の神経ペプチドの流れを測定する予定です、と彼は言います。
そして、異なるニューロンが異なるが遺伝的に同一の動物における同じ細胞の刺激に反応するのはなぜかが、内部プロセスがニューロンの相互作用にどのように影響するかを明らかにする可能性があることを理解する。ワームに飢erや覚醒などの特定の内部状態を誘導し、シグナル伝達パターンの変化が別の「エキサイティングな将来の方向」であることを観察すると、ライファーは言います。
チームは、この作業が他の生物における同様の調査のための青写真を提供することを望んでいる、とライファーは言う。 完全なフライコネクトーム、2024年に公開されたものは、新しいものと一緒に使用できます 録音 その生物の脳機能をモデル化するための急速なニューロン活動のと彼は言います。
#ワームは脳の構造機能の謎を解くのに役立ちます