研究者らは最も詳細なショウジョウバエの神経索コネクトームを発表

まとめ：研究者らは、人間の脊髄に類似した成虫のショウジョウバエの神経索の最も包括的なコネクトームを発表し、科学界に優れたリソースを提供した。

約23,000個のニューロンから構築されたコネクトームは、ハエの運動機能を制御する複雑なネットワークを明らかにする。 すでにデータから新たな洞察が得られており、ハエの動きに関するこれまでの理論に疑問を投げかけています。

この成果はショウジョウバエの神経学の理解を進めるだけでなく、将来の同様のプロジェクトのモデルとしても役立ちます。

重要な事実:

ソース：ジャネリア・リサーチ・キャンパス

すでに今年、研究者らはショウジョウバエの幼虫の脳の配線図を発表している。 完全な成虫のメスのハエの脳と視葉のコネクトームは 2023 年に完成すると予想されており、完全なオスのハエの神経系コネクトームもすぐに続きます。

6月6日、米国と英国のジャネリア科学者と共同研究者らは、MANCと呼ばれる成人男性の神経索の配線図を公開し、コネクトームパズルに新たなピースを加えた。

Janelia の FlyEM プロジェクト チームと共同研究者による共同作業である Connectome は、bioRxiv のプレプリントに詳しく記載されており、Janelia の Web サイトを通じて世界中の研究者が無料で利用できます。

約 23,000 個のニューロン、1,000 万個のシナプス前部位、および 7,400 万個のシナプス後密度を備えた MANC は、ショウジョウバエの成体神経索の最も詳細かつ完全なコネクトームであり、ほとんどの制御を司る人間の脊髄に類似した構造です。ハエの運動機能の一部。

このニューロンとその接続のマップにおける前例のない詳細は、科学者がハエがどのように脚を動かしたり、羽ばたきさせたりするかを理解するのに役立ちます。

MANC コネクトームを構成する 23,000 個のニューロンを端から端まで並べると、長さは約 44 メートルになります。

コネクトーム データとともにリリースされたプレプリントには、さまざまな細胞の種類、その起源とつながり、データから明らかになり始めている生物学的洞察が記載されています。 ショウジョウバエは、神経科学者が神経系の仕組みを調査するために使用する重要な生物であるため、コネクトームの存在は、細胞がどのように連携して行動を可能にするかを明らかにするために重要です。

コロンビア大学ザッカーマン研究所の HHMI 研究員で、プロジェクトの主導に貢献した元ジャネリア グループ リーダーのグウィネス カード氏は、「ネットワーク全体が見えたら、組織に関する大きな疑問を投げかけることができます」と述べています。

リリースされたMANCと他のコネクトームは、2020年にジャネリアの科学者によって発表された半脳コネクトームの足跡をたどるものです。当時、成体のハエの脳の一部である半脳は、これまでに完成された中で最大かつ最も包括的な配線図でした。多くの人が不可能だと考えていた偉業が実現できるということ。

半脳の解放により、コネクトームの取り組みに対するさらなる支援と関心が高まりました。 研究者らは現在、半脳に欠けている部分を埋めており、ショウジョウバエの成虫の雄と雌の両方の中枢神経系全体をマッピングするという目標が達成できるところまで来ている。

「この電車は走り続けるよ」とカード氏は言う。 「あなたはまだ始まりを見ているだけです。」

MANC コネクトームは、半脳のマッピングに使用される方法と同様の方法を使用して構築されました。ジャネリア チームは、神経索サンプルと、集束イオン ビーム走査型電子顕微鏡上でナノメートル厚のスライスの層を次々と画像化して準備しました。 Google のアルゴリズムとコンピューターは画像をつなぎ合わせ、ニューロンを識別する最初のパスを実行しました。

次に、ジャネリアンと共同研究者のチームがデータの校正に着手しました。これは、ニューロンの形状と接続が正しいことを確認する手作業の作業であり、プロセスの中で最も時間のかかる部分の 1 つです。 新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックのため、チームは自宅のコンピューターで動作するソフトウェアを開発した。 これは、ウェルカム・トラストからの追加資金とともに、国際協力者がより容易にこの取り組みを支援できることを意味しました。

「完全に校正されており、ハエの左右ですべて同じニューロンを見つけることができるので、同僚に『これは信頼できる』と言えます」とMRC分子生物学研究所の神経科学者グレッグ・ジェフェリス氏は言う。ケンブリッジ大学の彼と、FlyEM プロジェクト チーム運営委員会の一員であるもう 1 人のプロジェクト リーダーです。

ケンブリッジ大学の研究者らはまた、さまざまな細胞の種類、それらがハエの体のどこにあるのか、どの幹細胞から生じたのかを特定し、組織原理の一部を解明するのに役立った。

「腹側神経索は基本的にブラックボックスとみなされてきました」と、セルタイピングの取り組みを主導したケンブリッジ大学の研究員リサ・マリンは言う。

「ニューロンの大部分はまだ特定されていません。そこで私たちのプロセスの大部分は、これらを小さな集団に分割し、その接続性を詳しく調べることでした。」

コネクトームデータの調査では、すでにいくつかの驚くべきことが明らかになり始めています。 カードと彼女のチームは、同じ筋肉に関わる一部の行動が、これまで考えられていたような同じ回路ではなく、異なる前運動前回路を使用していることを発見した。

ジェフリーズと彼のチームは、脚を制御する複雑な繰り返し回路を説明し、驚くべきことに、脚を調整する相互接続が既存のモデルとは異なることを発見しました。

他の研究者がデータの調査を開始するにつれて、MANC からさらに多くの洞察が得られるでしょう。データには、Janelia で開発されたオンライン ツール neuPrint および Clio を通じてアクセスできます。

「これらのコネクトームが非常に豊富であり、実際にはこのシステムがどのように機能するかを理解しようとするための出発点にすぎないことは明らかです」とカード氏は言う。 「このネットワークを調査し、さまざまな状況で人々が研究する幅広いさまざまな行動を取得するには、コミュニティ全体が調査する必要があります。そうすることで、より高度な原則を明らかにすることができます。」

このプロジェクトは、得られる科学的洞察に加えて、コネクトームの取り組みを行っている他のグループの 1 つのモデルとしても機能します。

「人々がマウス コネクトームなどに移行し始めると、この種の協力が絶対に必要になるでしょう」と、Janelia の主席科学者であり、FlyEM チームのメンバーである Lou Scheffer 氏は述べています。

「単一の組織がそれを実行できる方法は考えられません。したがって、これはその種の協力のプロトタイプです。」

データセット: https://www.janelia.org/project-team/flyem/manc-connectome

著者：グウィネスカードソース：ジャネリア・リサーチ・キャンパス接触：グウィネス カード – ジャネリア リサーチ キャンパス画像：トップ画像は Neuroscience News のクレジットです。 記事画像の著作権は FlyEM/Janelia Research Campus にあります

独自の研究:クローズドアクセス。「雄ショウジョウバエの腹側神経索のコネクトーム」竹村真也ら著。 バイオRXiv

クローズドアクセス。「完全な成体雄ショウジョウバエの神経索コネクトームの体系的な注釈により、機能的組織化の原理が明らかになる」Elizabeth C. Marin et al. バイオRXiv

抽象的な

ショウジョウバエの雄の腹側神経索のコネクトーム

動物の行動は主に筋肉の神経制御によって表現されます。 したがって、脳がどのように行動を制御しているかを理解するには、神経回路を運動ニューロンに至るまでマッピングする必要があります。

私たちはこれまでに、神経組織の大容量電子顕微鏡データセットを収集し、ボリューム全体にわたるニューロンの形態とその化学的シナプス結合を完全に再構築する技術を確立しました。 これらのツールを使用して、ショウジョウバエの中枢脳の大部分の密な配線図、つまりコネクトームを生成しました。

しかし、ハエを含むほとんどの動物では、運動ニューロンの大部分は脳の外側の体に近い神経中枢、すなわち哺乳類の脊髄または昆虫の腹側神経索（VNC）に位置しています。

この論文では、雄のハエの VNC のコネクトームを生成することにより、行動に関する完全な神経回路をマッピングするという私たちの取り組みを拡張します。

抽象的な

完全な成体雄ショウジョウバエの神経索コネクトームの体系的な注釈により、機能組織の原理が明らかになる

私たちの姉妹論文 (Takemura et al., 2023) では、歩いたり飛んだりできる動物の神経索の完全に校正された初のコネクトームが紹介されています。 基本コネクトームは、ニューロンの形態とそれらの間の接続で構成されます。

ただし、このコネクトームを効率的にナビゲートして理解するには、ニューロンを系統的に分類して名前を付け、ニューロンを既存の文献にリンクする注釈システムが重要です。

この論文では、最初に階層的な粗いアノテーションのシステムによって、次に左右および連続的に相同なニューロンをグループ化し、最後に VNC の内在性介在ニューロンと感覚ニューロンの系統的な細胞タイプを定義することによって、VNC コネクトームの包括的なアノテーションについて説明します。 下行ニューロンと運動ニューロンが入力されます (Cheong et al., 2023)。

私たちは、5,000 を超える感覚ニューロンに感覚モダリティを割り当て、それらを接続性によってクラスター化し、連続的に相同な細胞タイプと末梢の地形に対応すると思われる層状組織を特定します。 我々は、大多数の VNC ニューロンの起源となる発生神経芽細胞を同定し、（ほとんどの場合）各半系統のすべての二次ニューロンが単一の神経伝達物質を発現していることを確認しました。

神経芽細胞の半系統は神経索のセグメントに沿って連続的に繰り返され、一般にニューロメア全体で一貫した半系統間の接続性を示し、半系統が VNC の主要な組織的特徴であるという考えを裏付けています。

また、個々のニューロンの 3 分の 1 以上が連続的に相同な細胞型に属していることもわかりました。これは、脚の神経網全体で運動ニューロンと感覚ニューロンを識別するために重要でした。 介在ニューロンをニューロピル神経支配パターンによって分類すると、追加の組織軸が提供されます。

VNC の内在性ニューロンの半分以上は脚に特化しているようで、大部分は片脚のニューロピルに限定されています。 対照的に、異なる脚の神経網を接続する抑制性介在ニューロン、特に正中線を横切る神経網は、運動回路の標準モデルが予想するよりもまれであるようです。

私たちのアノテーションは、neuprint.janelia.org Web アプリケーションの一部としてリリースされており、このペーパーで説明する専用ツールを介したコネクトームのプログラム分析の基礎としても機能します。

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