13万個の注釈付きニューロン、5300万個のシナプス、プリンストン大学などが初の完全な「成虫ミバエ」脳接続グループを発表

現在までに、C. elegans (ニューロン数 302) から Drosophila (ニューロン数約 100,000) に至るまでの生物の全脳コネクトームをマッピングするプロジェクトが数多く存在します。キイロショウジョウバエは人類によって最も徹底的に研究された生物の一つです。2017年現在、ショウジョウバエを使った研究に対して8つのノーベル賞が授与されています。

研究者たちは現在もショウジョウバエの研究を続けています。最近、プリンストン大学などの研究者らが、約13万個の注釈付きニューロンと数千万種類のシナプスを含むショウジョウバエの全脳接続グループを発表しました。

基本的な神経系は古代の動物の頃から存在していたことは誰もが知っていますが、脳系の出現は 5 億年前にまで遡ります。研究によると、脳をさまざまな領域に分割すると、脳の機能を理解するのに役立つことが分かっています。

しかし、ニューロンとシナプスのレベルでの神経接続マップについては、主にそのような接続マップを再構築できる技術が不足していることから、長年にわたり論争が続いてきました。状況が変化し始めたのは、21 世紀初頭の技術の発展によるものでした。

今日までに、プリンストン大学および他の研究機関の研究者らは、ショウジョウバエの脳全体のコネクトーム、つまり成虫のショウジョウバエの脳の完全な神経接続マップを初めて公開した。

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論文アドレス: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546656v1.full.pdf

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結果が発表された後、ある人がこう言いました。「多くのプロジェクトが、C.エレガンス（302個のニューロン）からショウジョウバエ（約10万個のニューロン）まで、さまざまな生物の脳全体の接続グループをマッピングしてきました。現在のコンピューティング能力では、なぜこれらの生物の正確なコンピューターシミュレーションを仮想3D環境で実行できないのでしょうか？」

成虫のショウジョウバエの脳配線の初の完全な地図

ミバエの脳は、10^5 個のニューロンと 10^8 個のシナプスしかなく、小さいように見えるかもしれませんが、これらによって、見たり、嗅いだり、聞いたり、歩いたり、もちろん飛んだりすることができます。

研究者たちは長い間、ニューロンの微細な枝や結合するシナプスが見えるほど鮮明な電子顕微鏡（EM）画像を使用してショウジョウバエの脳の一部を再現してきた。結果として得られる神経回路の接続マップは、脳が社会的、記憶関連、ナビゲーション行動をどのように生成するかについての重要な洞察を提供します。

しかし、EM 法は脳のいくつかの領域に適用され、有益な局所接続マップを再構築しましたが、この方法は脳機能のより包括的な理解には不十分です。

これまで、研究者らは伊藤らの研究に基づいて単一シナプスメッシュを構築してきました。この記事で使用されているメッシュは、以前に完全な脳セグメンテーションを生成した JFRC2 標準脳テンプレートに基づいています。これらのメッシュは、Virtual Fly Brain プロジェクトでも使用されています。この研究では、一連の非剛体変換を通じて、これらのメッシュを JFRC2 空間から FlyWire (FAFB14.1) 空間に移動しました。

注: FlyWire は、ショウジョウバエの脳を探索するための全脳コネクトミクス プラットフォームです。 2019 年以来、科学者と経験豊富な校正者は、FlyWire を使用して、ショウジョウバエの脳全体の AI セグメンテーションを校正してきました。 2023 年 6 月現在、FlyWire では中枢脳全体を含む 120,000 個以上のニューロンが校正されています。

下の図に示すように、この研究で再構成された成虫のショウジョウバエの脳全体には 127,978 個のニューロン (図 1a) と、それらの間のシナプスが 5,300 万個含まれています。成虫雌ショウジョウバエの全脳画像（図 1e、f）は、以前に連続切片転送電子顕微鏡法によって取得され、Zheng らによってパブリックドメインに公開されました。

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この論文は、ショウジョウバエの脳全体を再構築した研究によって得られた接続マップが「コネクトーム」と呼べるほど完全であることを示している。 C. elegans（ニューロン数300、シナプス数10^4未満）やショウジョウバエ1齢幼虫（ニューロン数3,000、シナプス数5×10^5）と比較すると、そのコネクトームは飛躍的に進歩しており、コネクトームはショウジョウバエ脳の半分を超えるだけでなく、味覚や機械知覚などに非常に重要なショウジョウバエ中枢脳の食道下領域（SEZ）もカバーしています。さらに、コネクトームはショウジョウバエ脳から運動ニューロンを下方に駆動するプロセスもカバーしています。

下の図はニューロンのカテゴリーを示しています。図 (a) は、ショウジョウバエの脳内のニューロンが内因性、求心性、遠心性の「フロー」に分類されていることを示しています。各フロー クラスは、場所と機能に基づいてさらに「スーパークラス」に分割されます。最初に公開された複眼には、網膜細胞約 8,000 個と、片方の半球にある 4 つの小さな眼球が欠けており、これらは影付きの棒で表されています。 (b) これらのニューロン注釈を使用して、ショウジョウバエの脳内のスーパークラス間の収束シナプスマップを作成しました。 (c) 各スーパークラスのすべてのニューロンの結果プロット。 （d）眼神経と頸部結合神経（CV）に加えて、各半球には8つの神経があります。神経を横断するすべてのニューロンが再構築され、考慮されます。 （e）感覚ニューロンは、感覚様式に対する反応に基づいて細分化することができます。 FlyWire では、ほぼすべての感覚ニューロンがモダリティ別に分類されています。 （f）すべての非視覚感覚ニューロンのレンダリング。

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次の図は、視覚情報の処理を担うショウジョウバエの脳を示しています。

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以下は、ショウジョウバエの脳の中心を通る情報の流れを示した図です。

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これまでに作成された細胞タイプの最大の検証済みコレクション

FlyWire 接続セットは、これまでに得られた接続セットの中で最大かつ最も複雑なものです。別の論文「複数のコネクトームから得られたコンセンサス細胞型アトラスが回路のステレオタイプと変異の原理を明らかにする」では、研究チームはこのスケールのコネクトームをさらに説明するためにいくつかの重要な質問をし、答えました。

1) どのエッジが重要であるかをどのように知るのでしょうか?

2) 自動または手動の分析を支援するために、コネクトーム マップをどのように簡素化できますか?

3) コネクトームはどの程度まで単一の脳のスナップショットなのか、あるいは種全体を代表するものなのか?

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論文リンク: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546055v1.full.pdf

これらの問題は、データセット内およびデータセット間でのコネクトーム注釈および細胞タイプの識別と密接に関連しています。

最も基本的なレベルでは、包括的な注釈システムがなければ、このコネクトームをナビゲートすることは非常に困難です。そのため、この論文でチームが注釈を付けた部分は、人間が読めるようにインデックスが付けられ階層化されたリストになっており、生物学者が関心のあるシステムやニューロンを探索できるようにしています。

コネクトーム注釈は、修正が必要なセグメンテーション エラーを必然的に明らかにするため、データの品質を保証するためにも重要です。さらに、ショウジョウバエは、広範囲にわたる生得的および獲得的行動の回路基盤、ならびにそれらの発達的遺伝的起源を調査してきた豊かな歴史を持っています。データセットの潜在能力を完全に実現するには、コネクトーム内の細胞タイプを、以前に発表された文献や進行中の文献で特徴付けられた細胞タイプと相互参照する必要があります。

部分的な半球状コネクトームとの比較により、ほとんどのハエ細胞型は高度に定型化されており、単純で一般的なヒューリスティックで定義されたコネクトーム内の接続は信頼性が高く、機能する可能性が高いことが確認されました。しかし、これにより、一部の細胞タイプに予期せぬ変化が見られ、半脳で当初報告された多くの細胞タイプを確実に再識別することはできないことが示されました。この発見により、研究者はコネクトミクスデータセット全体で細胞の種類を定義するための新しい強力な方法を開発して適用する必要性について考えるようになりました。

この研究では、研究者らはハエの脳内のすべてのニューロンについて、さまざまな粒度レベル（スーパークラス、細胞クラス、系統クラスなど）で人間が判読可能な注釈を生成しました。

研究者らが提示した 4,179 種類の細胞アトラスは、これまでで最大のものではない (半脳には 5,620 種類あり、マウス脳に関する最近の研究では 5,000 種類もの分子クラスターが提示されている)。しかし、これはある意味では、これまでに集められた細胞タイプの最大規模の検証済みコレクションです。

細胞型は、動物内および動物間での生物学的変動に関する検証可能な仮説です。 C. elegans では、初期のコネクトームから推測された 118 種類の細胞が、その後のコネクトームと分子データの分析によって明確に裏付けられました。一部の哺乳類では、100 種類の細胞カタログを生成することが可能であり、これは網膜や運動皮質などのマルチモーダル データを使用して検証されています。

しかし、大規模な分子マップは、非常に有益な階層構造を生み出しましたが、個体間の最も細かい単位である末端細胞タイプを正確に定義しようとはしていませんでした。研究者らはまず、この反証可能な細胞型仮説を 5,000 種類以上の細胞型でテストし、3 つの半球すべてからのコネクトーム データで約 3,166 種類の細胞型を確認または修正しました。

特に、コネクトミクス データは細胞の種類を描写するのに特に興味深いものです。コネクトミクス データは本質的にマルチモーダルであり (形態と接続性を提供する)、脳内のすべての細胞を調べることを可能にします (完全性)。この厳格なテストに合格した細胞タイプは、（永久に）改変される可能性が非常に低くなります。この理解に基づくと、FlyWire データセットの 2 つの半球だけで定義されている追加の 850 種類の細胞も正確かつ永続的であるはずです。研究者たちは、コネクトームデータが細胞型判定のゴールドスタンダードになると考えています。したがって、分子細胞タイプとコネクトミクス細胞タイプを関連付けることが重要になります。

FlyWire では、脳半球の細胞タイプの 3 分の 1 以上が未だに特定されていないという事実は、驚き、あるいは失望をもたらすかもしれません。研究者らは、ほとんどの細胞は識別可能であると改めて述べ、自らの努力とこの分野の他の人々の努力を通じて、現在のプラットフォームとツールを継続的に段階的に改善していく予定だと述べた。

それでも、現在の結果からいくつかの重要な問題が明らかになりました。第一に、単一の脳半球のデータを使用して特定された細胞タイプの多くは、現在では修正が必要です。第二に、新しいマルチコネクトーム プロファイリング法 (図 6) は、この問題に対する強力で効率的なアプローチを提供します。第三に、成虫のハエにおける連続的な変異の例は、一般に哺乳類の細胞タイプに関連しており、研究者は、これまで不可能だった精度でこの変異に対処するためのツールとデータを手に入れました。

経脳細胞タイピング

全体として、この研究は、現在の正常なハエのコネクトームと予想される正常なハエのコネクトームの詳細な研究、ならびに性的二形性、経験依存の可塑性、脳全体の発達、および疾患の将来の研究の基礎を築くものです。