キノコ体

キノコ体または有柄体は、昆虫や甲殻類を含む節足動物の脳にある一対の構造物である^[2] 。また、一部の環形動物（特に、ゴカイの一種であるPlatynereis dumerilii）も有する。^{[3]キノコ体は}嗅覚学習と記憶に関与することが知られている。ほとんどの昆虫では、キノコ体と側角が、投射ニューロンを介して触角葉から嗅覚情報を受け取る2つの高次脳領域である。 ^[4]キノコ体は、 1850年にフランスの生物学者フェリックス・デュジャルダンによって初めて特定され、記述された。^{[5] [6]}

キノコ体は、通常、神経突起（樹状突起と軸索末端）とグリアの密なネットワークであるニューロピルとして説明されます。キノコ体の名称は、ほぼ半球形の萼（中枢神経路または柄によって脳の他の部分と結合する突起）に由来しています。

キノコ体に関する現在の知識のほとんどは、ゴキブリの アメリカゴキブリ、ミツバチ のミツバチ、^[7]イナゴ、ショウジョウバエのキイロショウジョウバエなど、数種の昆虫の研究から得られたものです。ショウジョウバエのキノコ体の研究は、キノコ体のゲノム配列が解読され、遺伝子発現を操作するためのツールが多数存在する ため、キノコ体の機能の遺伝的基礎を理解する上で特に重要でした。

昆虫の脳では、キノコ体の柄が中脳まで伸びています。柄は主に、キノコ体の固有ニューロンであるケニオン細胞の長く密集した神経線維で構成されています。これらの細胞は、調査されたすべての種のキノコ体で発見されていますが、その数はさまざまです。たとえば、ショウジョウバエには約 2,500 個ありますが、ゴキブリには約 200,000 個あります。

ここでは、イナゴの脳を解剖して中枢脳を露出させ、電気生理学的記録を行う様子を見ることができます。^[8]

歴史的には、キノコ体は昆虫のみに存在し、カニやロブスターには存在しないと考えられていました。しかし、 2017年にシャコでキノコ体が発見されたことで、キノコ体はすべての節足動物の祖先であり、この特徴は後にカニやロブスターで失われたという^結論に至りました^{[2] 。}

キノコ体は嗅覚連合学習における役割で最もよく知られています。これらの嗅覚信号は、キノコ体の外側にあるドーパミン、オクトパミン、コリン、セロトニン、GABAのニューロンから受信されます。 ^{[9]これらは}膜翅目昆虫で最も大きく、特に嗅覚行動を精巧に制御していることが知られています。しかし、キノコ体は無嗅覚性の原始的な昆虫にも見られるため、その役割は嗅覚処理を超えて広がっている可能性があります。解剖学的研究では、いくつかの種で視覚および機械感覚入力の処理に役割を果たしていることが示唆されています 。[10] 特に膜翅目昆虫では、キノコ体神経^網のサブ領域が嗅覚、視覚、または両方のタイプの感覚入力を受信するように特化しています。^[11]膜翅目昆虫では、嗅覚入力は萼に層状に配置されています。アリでは、触角葉の異なる糸球体のクラスターに対応する複数の層を区別することができ、おそらく異なる種類の匂いを処理するためである。^{[4] [12]}投射ニューロンには2つの主要なグループがあり、触角葉を前部と後部の2つの主要な領域に分割している。投射ニューロングループは分離しており、糸球体グループを別々に神経支配し、内側触角前大脳路（m-APT）または外側触角前大脳路（l-APT）のいずれかを介して別々の経路で軸索を送り、キノコ体の萼の2つの層に接続する。これらの層では、触角葉の2つの流出領域の組織が地形的に表現され、キノコ体の縁の領域で触角葉の大まかなオドトピックマップが確立される。^{[4] [12]}

キノコ体は学習と記憶、特に嗅覚に関与していることが知られており、現在盛んに研究されています。大型昆虫では、キノコ体が連想記憶、感覚フィルタリング、運動制御、場所記憶などの他の学習記憶機能を持つことが研究で示唆されています。研究では、キノコ体は一般的に一種の偶然の検出器として機能し、マルチモーダル入力を統合して^[4]新しい関連付けを作成することが示唆されており、学習と記憶における役割を示唆しています。^[13]最近の研究では、キノコ体が側角との相互作用を介して生来の嗅覚行動に関与している証拠も示されており^{[14] [15]、}個体間で部分的に定型化されたキノコ体出力ニューロン（MBON）の感覚応答を利用している可能性があります。^[16]投射ニューロンとケニヨン細胞間の接続はランダムである（すなわち、個人間で定型化されていない）が、^[17] MBON応答の定型化は、他のネットワーク特性とともに、多数のケニヨン細胞が少数のMBONに密集することによって可能になる。^[16]

キノコ体では、匂いに関する情報は、反応ニューロンのアイデンティティとスパイクのタイミングによってコード化されている可能性がある。^{[18]イナゴを使った実験では、}ケニオン細胞の活動は20Hzの神経振動に同期しており、振動サイクルの特定の段階で投射ニューロンのスパイクに特に反応することが示された。^[19]

MB外のセロトニン作動性ニューロンとGABA作動性ニューロンから信号を受信するニューロンは覚醒状態を作り出し、実験的にこれらのセロトニン作動性上流ニューロンを刺激すると睡眠が強制される。MB内の標的ニューロンはセロトニン、GABA、および両者の組み合わせによって抑制される。一方、オクトパミンはMBの睡眠機能に影響を与えないと思われる。^[9]

キノコ体の構造はショウジョウバエの嗅覚 学習と記憶に重要であることが分かっている。キノコ体が除去されると、この機能が破壊されるからである。 ^[21]キノコ体は、体の内部状態と嗅覚入力からの情報を組み合わせて、生来の行動を決定することもできる。^[22]キノコ体を構成する特定のニューロンの正確な役割はまだ明らかになっていない。しかし、これらの構造は、その遺伝子構成について多くのことが分かっているため、広範囲に研究されている。キノコ体の葉を構成するニューロンには、α/β、α'/β'、γニューロンの3つの特定のクラスがあり、これらはすべて異なる遺伝子発現をしている。現在の研究のトピックは、キノコ体のこれらのサブ構造のどれが学習と記憶の各段階とプロセスに関与しているかである。^[23]ショウジョウバエのキノコ体は、学習と記憶の研究にもよく使用され、比較的個別的な性質のために操作される。通常、嗅覚学習アッセイは、ハエを2種類の匂いに別々にさらすことから構成される。 1つは電気ショックパルスとペアになっている（条件刺激、CS+）、もう1つはそうではない（無条件刺激、US）。この訓練期間の後、ハエはT字型迷路に配置され、2つの匂いが水平の「T」字型のアームの両端に個別に配置されます。CS+を回避するハエの割合が計算され、高い回避率は学習と記憶の証拠と見なされます。^[24]

匂いの条件付けと細胞イメージングを組み合わせた最近の研究では、ショウジョウバエの嗅覚系の分子変化と一致する6つの記憶痕跡が特定されています。これらの痕跡のうち3つは、行動記憶の初期形成に関連しています。そのような痕跡の1つは、シナプトpHluorinレポーター分子によって触角葉（AL）で可視化されました。条件付けの直後、 ALの8つの糸球体セットにある追加の投射ニューロンセットが、条件付けされた匂いによってシナプス活性化され、わずか7分間持続します。 ^[25] 2番目の痕跡は、キノコ体ニューロンのα'/β'軸索におけるGCaMP発現、したがってCa ^{2+流入の増加によって検出できます。 [26]これはより長く持続する痕跡で、条件付け後最大1時間存在します。3番目の記憶痕跡は、抑制性}GABA受容体の1つを介して記憶形成抑制因子として機能する前対側方ニューロンの活動の低下です。APLニューロンのカルシウム反応の減少とそれに続くキノコ体へのGABA放出の減少は、匂い条件付け後5分まで持続した。^[27]

中期記憶の痕跡は、背側対合正中ニューロンにあるamn遺伝子の発現に依存している。キノコ体に神経を送るカルシウム流入とシナプス放出の増加は、電気ショックと匂いのペアリング後約 30 分で検出可能になり、少なくとも 1 時間持続する。^[28]マッピングされた長期記憶の痕跡は両方とも、CREB​​とCaMKIIの活性とタンパク質合成に依存しており、間隔を置いた条件付けの後にのみ存在する。最初の痕跡は、条件付け後 9 〜 24 時間の間に α/β ニューロンで検出され、条件付けされた匂いに反応してカルシウム流入が増加することを特徴とする。 ^[29] 2 番目の長期記憶の痕跡は γ キノコ体に形成され、条件付け後 18 〜 24 時間の間にカルシウム流入が増加することで検出される^[30]

環状アデノシン一リン酸（cAMPまたはサイクリックAMP）は、ショウジョウバエのキノコ体ニューロンへのカルシウム流入を促進するセカンドメッセンジャーである。ショウジョウバエではcAMPの上昇がシナプス前可塑性を誘導する。cAMPレベルは、ドーパミンやオクトパミンなどの神経伝達物質と匂い自体の両方の影響を受ける。ドーパミンとオクトパミンはキノコ体介在ニューロンから放出され、匂いは嗅覚経路のニューロンを直接活性化し、電位依存性カルシウムチャネルを介してカルシウム流入を引き起こす。^[31]

古典的条件付けパラダイムでは、神経細胞の脱分極（匂いまたはCSを表わすアセチルコリンの適用による）とそれに続くドーパミンの適用（ショックまたはUSを表わす）を組み合わせると、キノコ体葉におけるcAMPの相乗的増加がもたらされる。^[31]これらの結果は、キノコ体葉がcAMPの作用によるCS/US統合の重要な部位であることを示唆している。この相乗効果はもともとアメフラシで観察されており、カルシウム流入とセロトニンによるGタンパク質シグナル伝達の活性化を組み合わせると、同様のcAMPの相乗的増加が生じる。^[32]

さらに、この cAMP の相乗的増加は、ルタバガアデニル酸シクラーゼ (rut AC)によって媒介され、依存しており、カルシウム (匂いによる電位依存性カルシウムチャネルの開口による) とG タンパク質刺激 (ドーパミンによる) の両方に敏感です。^{[31]ニューロンの}脱分極とドーパミン (アセチルコリンの後にドーパミン)の順方向ペアリングはcAMP の相乗的増加をもたらしますが、ニューロンの脱分極とオクトパミンの順方向ペアリングはcAMP に対して準相加的効果をもたらします。^[31]より具体的には、このペアリングは各刺激を個別に葉に与えた場合の合計よりも大幅に少ない cAMP を生成することを意味します。したがって、キノコ体ニューロンの rut AC は、ドーパミンとオクトパミンが双方向に機能して cAMP レベルに影響を与える一致検出器として機能します。 ^[31]

プロテインキナーゼA （PKA）は、ショウジョウバエの学習と記憶において重要な役割を果たすことがわかっている。^[33]カルシウムが細胞内に入りカルモジュリンと結合する と、ルタバガ遺伝子（rut ）によってコードされているアデニル酸シクラーゼ（AC）が刺激される。^{[34]このACの活性化により}cAMPの濃度が上昇し、PKAが活性化される。^{[34]嫌悪性の嗅覚刺激剤である}ドーパミンを投与すると、キノコ体の垂直葉で特にPKAが活性化される。^{[34]この空間特異性は、cAMP特異的}ホスホジエステラーゼであるdunce（dnc）PDEによって制御されている。dnc変異体で見られるようにdunce遺伝子が廃止されると、空間特異性は維持されない。対照的に、オクトパミン投与によって生じる欲求刺激は、すべての葉でPKAを増加させる。^[34]ルタバガが廃止された遺伝子型である rut変異体では、ドーパミンとオクトパミンの両方に対する反応が大幅に減少し、実験ノイズに近づきました。

条件刺激であるアセチルコリンは、ドーパミンやオクトパミン単独の刺激に比べて、PKA活性化を大幅に増加させます。^{[34]この反応は}rut変異体では消失しており、PKAが感覚統合に不可欠であることが実証されています。^[34]ドーパミン存在下でのα葉活性化の特異性は、ドーパミンがアセチルコリンと組み合わせられている場合でも維持されます。^[34]基本的に、条件刺激が無条件刺激と対になっている条件付けパラダイムでは、PKAの活性化が高まります。これは、PKAがキイロショウジョウバエの条件学習に必要であることを示しています。

刺激→出力反応は興奮と抑制のペアの産物である。これは哺乳類の脳と同じ組織パターンである。哺乳類と同様に、これらのパターンは行動に先行する可能性がある。2021年現在、^{[アップデート]}これはZwaka et al 2018、Duer et al 2015、およびPaffhausen et al 2020によって最近解明された分野である。^[7]

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