ショウジョウバエのコネクトーム

ショウジョウバエのコネクトームは、キイロショウジョウバエ（Drosophila melanogaster ） の神経系のニューロンと、それらの間の化学シナプスのリストです。ショウジョウバエの神経系は脳と腹側神経索で構成されており、両方ともオスとメスでかなり異なることが知られています。^{[1] [2]高密度のコネクトームは、メスの成体脳、 [3]}オスの神経索、^[4]メスの幼虫期^[5]について完成しています。利用可能なコネクトームは化学シナプスのみを示しており、ギャップ結合や神経調節物質などの他の形式のニューロン間通信は示されていません。 ショウジョウバエはコネクトームを持つ最も複雑な生物ですが、コネクトームは、以前はC. elegans などの3つのより単純な生物でのみ得られていました。^{[要出典]コネクトームは、}神経回路再構築 の方法で得られ、長年にわたりハエの脳のさまざまなサブセットから、今日存在するほぼ完全なコネクトームまで作業が進められてきました。^[要出典]

コネクトーム研究 (コネクトミクス) には、競合する目的がいくつかあります。一方では、研究者はコネクトームを妥当な時間内に取得できるほど小さい生物を好みます。これは小型生物の主張です。他方では、コネクトームの主な用途の 1 つは構造と行動を関連付けることであるため、行動レパートリーが豊富な動物が望ましいです。また、実験者の大規模なコミュニティが存在し、利用可能な遺伝子ツールが多数ある動物を使用することも非常に役立ちます。ショウジョウバエは、これらの要件をすべて満たしています。

• 脳には約135,000個のニューロンが含まれており^[6] 、現在では再構築できるほど小さいです^{[7] 。}
• ミバエは多くの複雑な行動を示します。何百もの異なる行動（摂食、毛づくろい、飛行、交尾、学習など）が長年にわたって定性的および定量的に研究されてきました。^{[引用が必要]}
• ミバエの遺伝学はよく理解されており、多数の（数万の）遺伝子変異体が存在します。^{[説明が必要]}
• ショウジョウバエに関しては、電気生理学、カルシウムイメージング、その他の研究が数多く進行中です。^[要出典]

完全に復元された成虫の雌ショウジョウバエの脳には、約 128,000 個のニューロンと約 5,000 万個の化学シナプスが含まれ、復元された雄の神経索には約 23,000 個のニューロンと 7,000 万個のシナプスが含まれます。これらの数字は独立していません。脳と神経索の両方に、ショウジョウバエの首を通る数千個の上行性および下行性ニューロンの一部が含まれているからです。復元された雌の幼虫の脳には、約 3,000 個のニューロンと 548,000 個の化学シナプスが含まれます。これらの数字はすべて、個体間で異なることが知られています。^[8]

ショウジョウバエのコネクトミクスは1991年にラミナの回路の記述から始まりました。^[9] しかし、使用された方法は主に手作業であり、さらなる進歩にはより自動化された技術を待たなければなりませんでした。

2011年には、ハエの脳全体の脳区画とニューロンの相互接続路のレベルでの高レベルコネクトームが公開され^[10]、オンラインで利用可能になりました。^[11] デジタル画像処理などの新しい技術が詳細な神経再構築に適用され始めました。^[12]

すぐに、より広い領域の再構築が続き、その中には、ミバエの視覚系における髄質の柱^[13]やキノコ体のα葉^{[14]も含まれました。}

2017年に発表された論文では、成人女性の脳全体のシナプス分解能での電子顕微鏡画像スタックが紹介されました。この画像では、選択された回路のスパーストレースが可能でした。^{[15] [16]}

2020年には、ショウジョウバエの中枢脳の半分の高密度コネクトームが公開され、^[17]このデータのクエリと探索を可能にするウェブサイトも公開されました。^[18]「半脳」コネクトームの再構築と初期分析に使用された方法が続きました。^[19]

2023年には、2017年のデータ（上記）を使用して、約130,000個のニューロン間の約5x10^7個の化学シナプスを含む完全な脳コネクトーム（女性用）が利用可能になりました。^[3]領域間の投影マップであるプロジェクトームは、コネクトームから作成できます。並行して、この「FlyWire」コネクトームと以前の「ヘミブレイン」に基づいて作成された、ショウジョウバエの脳のコンセンサス細胞タイプアトラスが公開されました。^[20]このリソースには4,552の細胞タイプが含まれています。そのうち3,094は、ヘミブレインコネクトームで以前に提案されたものの厳密な検証であり、1,458は新しい細胞タイプで、主にFlyWireコネクトームが脳全体に広がっているのに対し、ヘミブレインがサブボリュームから派生しているという事実から生じています。これらの異なる成体ショウジョウバエのコネクトームを比較すると、細胞タイプの数と強い接続はほぼ安定しているが、接続の重みは動物内および動物間で驚くほど変動することが示されました。

2022年、科学者グループは電子顕微鏡を使用してメスのショウジョウバエの腹側神経索の運動制御回路をマッピングしました。^[21] 2023年には、オスのショウジョウバエの腹側神経索の緻密な再構成画像が公開されました。^[22]

2023年、マイケル・ウィンディングらは完全な幼虫脳コネクトームを発表しました。^{[23] [5]}このコネクトームは、以前に収集された電子顕微鏡ボリュームに注釈を付けることでマッピングされました。^[24]彼らは、幼虫の脳が3,016個のニューロンと548,000個のシナプスで構成されていることを発見しました。脳ニューロンの93％は、反対側の半球に相同物を持っていました。シナプスのうち、66.6％は軸索-樹状突起、25.8％は軸索-軸索、5.8％は樹状突起-樹状突起、1.8％は樹状突起-軸索でした。

コネクトームを研究するために、彼らはそれをニューロンがノードを形成し、シナプスがエッジを形成する有向グラフとして扱いました。この表現を使用して、Winding らは、幼虫の脳ニューロンが接続性のみに基づいて 93 の異なるタイプに分類できることを発見しました。これらのタイプは、感覚ニューロン(視覚、嗅覚、味覚、温度など)、下降ニューロン、および上昇ニューロンを含む既知の神経グループと一致しました。

著者らは、これらのニューロンの種類を、脳の入力と出力の近さに基づいて順序付けました。この順序付けを使用して、出力に近いニューロンから入力に向かう接続のセットとして、再帰接続の割合を定量化できました。脳のすべてのニューロンの 41% が再帰接続を形成していることが分かりました。最も再帰接続が多いニューロンの種類は、 ドーパミン作動性ニューロン(57%)、キノコ体フィードバック ニューロン (51%)、キノコ体出力ニューロン (45%)、および収束ニューロン (42%) (キノコ体と側角領域から入力を受け取る) でした。学習、記憶、および行動選択に関係するこれらのニューロンは、一連の再帰ループを形成します。

ショウジョウバエのコネクトームの主な用途の 1 つは、行動を引き起こす神経回路やその他の脳構造を理解することです。この分野は非常に活発に研究されています。^{[25] [26]} たとえば、ショウジョウバエのコネクトームは、ショウジョウバエの脳の匂いの検出と追跡に関与する領域を特定するために使用されています。ハエは、乱気流の中で、空気の流れの方向と匂いのパケットの動きに関する情報を組み合わせて方向を選択します。ハエのコネクトームに基づくと、処理は風を感知するニューロンと嗅覚方向感知ニューロンが交差する「扇形の体」で行われるはずです。^{[27] [28]}

当然の疑問は、コネクトームによってハエの行動をシミュレーションできるかどうかである。しかし、コネクトームだけでは十分ではない。必要な追加情報には、ギャップジャンクションの種類と位置、神経伝達物質の正体、受容体の種類と位置、神経調節物質とホルモン（その発生源と受容体を含む）、グリア細胞の役割、シナプスの時間進化ルールなどがある。^{[29] [30]}

• バーチャルフライブレイン
• 顔料分散係数
• 神経節母細胞
• オープンワーム

• 「フライワイヤー」。
• 「FlyCircuit データベース」。
• 「ミバエ脳観測所」。
• 「ジャネリア研究キャンパス」。ハワード・ヒューズ医学研究所。