身近な設計図を持つ小さな脳
ショウジョウバエの脳には20万個未満のニューロンしかない。人間の脳には数百億個が含まれている。この規模の巨大な差にもかかわらず、神経科学者たちはこの昆虫を有用なモデルとして扱ってきた。ハエの脳は、大きさではなく、その組織化の仕方と細胞の通信の仕方において、人間の脳と驚くほど類似しているからだ。
もう一つの利点は完全性である。ハエの脳内のニューロン間のすべての接続は、コネクトームとして総称され、マッピングされている。この完全な配線図により、研究者は異なるタイプのニューロンがどのように相互作用して特定の行動を生み出すかを直接研究できる。これはより複雑な脳ではまだ手の届かないことである。
NYUグロスマン医科大学神経科学部門の准教授で、本研究の主任研究者であるKatherine Nagel博士は、この研究はハエが匂いを検知したときに神経回路がどのように短期記憶を形成するかを示していると述べた。その記憶により、昆虫は方向を保持し、記憶する価値があると判断した匂いに向かって進むことができる。彼女は、研究者たちは長い間この種の仕組みが作業記憶の基盤であると想定してきたが、新しい実験はその仕組みが存在することを確認し、特定の状況でどのように機能するかを実証したと付け加えた。
作業記憶には安定性と柔軟性の両方が必要
作業記憶は、情報を一度に数秒間保持する精神的なスクラッチパッドである。それは、誰かがセキュリティコードの数桁を入力するのに十分な時間覚えたり、部屋を歩き回る間に方向を頭に留めておくことを可能にするものである。この特性は不可欠だが、相反する一対の要件を伴う。
一方には安定性がある。瞬時に消える記憶は役に立たないため、基盤となる神経活動は意味のある時間にわたって持続しなければならない。もう一方には柔軟性がある。無関係な詳細を保持し続けることは膨大なエネルギーの無駄である。一日に出会うすべての数字を記憶に刻むことに利益を得る人はいない。したがって、有用なシステムは素早くオンになり、安定して保持し、きれいにオフになる必要がある。
オンとオフのために構築された回路
新しい研究は、ニューロンがどのように相互作用して情報を作業記憶に符号化するか、特にそれらの相互作用がどのように持続しつつ、活性化と非活性化が容易であり続けるかを調べた。研究者によれば、答えは回路内のゲーティングの仕組みにある。
匂いが記憶回路のロックを解除する
このプロセスを実際に観察するために、チームはショウジョウバエを強力なリンゴ酢にさらした。昆虫はその匂いに向かって飛び、匂いが空気中から消えた後も数秒間その方向に進み続け、刺激自体がなくなった後も匂いの記憶が行動を操っていることを示した。
ハエが反応する間、研究者たちはその脳内の活動を監視した。彼らは、2種類の異なるニューロンが匂いに類似した活動パターンで反応することを発見した。この重複する反応がゲートの特徴である。2つの細胞集団が相互作用することで、一瞬の感覚事象が自己持続的な信号に変換され、その後解放される。
事実上、この回路はコンピュータがファイルを保存するようには匂いを保存しない。それはハエの行動にバイアスをかける一時的な状態を作り出し、その状態は目的を果たした後にオフにすることができる。
なぜハエが人間の記憶研究に役立つのか
ショウジョウバエがモデルとしての価値は、それを見過ごしやすくするのと同じ特徴に基づいている。その脳は完全に追跡できるほど小さく、それでいて哺乳類の脳も直面する問題を解決している。刺激の検出、それが重要かどうかの判断、一時的な保持、そしてそれに基づく行動である。
ハエのコネクトームが完全であるため、科学者たちは特定のニューロンタイプを特定し、その接続を追跡し、その活動が行動に何をもたらすかを問うことができる。したがって、このような発見は、何十年も提唱されてきたが直接観察されることはほとんどなかったメカニズムについて、正確で検証可能な説明を提供する。
- 確認されたメカニズム：この研究は、短期記憶がどのように形成され維持されるかについての長年想定されてきた説明を支持している。
- 回路レベルの詳細：2つの異なるニューロンタイプが協力して記憶を維持するゲートを作り出す。
- 行動的証拠：ハエは匂いが消えた後も数秒間その方向に進み続け、記憶が働いていることを示す。
- モデルとしての価値：完全にマッピングされたコネクトームにより、ハエの脳は記憶に関するアイデアの実用的な試験場となる。
結果が示すことと示さないこと
実験は、1匹の昆虫の特定の回路が、1種類の感覚入力に応じてどのように短命な記憶を形成するかを記述している。同等のゲーティングの仕組みが人間の多くの形態の作業記憶にわたって機能するかどうかは未解決の問題であり、研究者たちはこの結果を普遍的な規則ではなく、定義された文脈における原理の確認として位置づけている。
それでも、根底にある設計はその経済性ゆえに魅力的である。必要に応じて記憶をオンにし、不要なときにオフにできる脳は、あまりに早く忘れるコストと、あまりに多くを覚えるコストの両方を回避する。安定性と柔軟性の間のこのバランスは、すべての神経系が解決しなければならない問題であり、ショウジョウバエは一つの解決策を明確に示している。
10月7日にオンラインでNature誌に発表されたこの研究は、昆虫の完全な配線図を用いて個々の細胞タイプを特定の行動に結びつける研究の増え続ける蓄積に加わるものである。神経科学者にとっての成果は、神経ゲートがどのように短い感覚入力を、動物を次の数秒間導くことができる記憶に変換するかについての、より鮮明な像である。
この記事はMedical Xpressの報道に基づいています。元の記事を読む。
Originally published on medicalxpress.com
