ショウジョウバエの脳におけるナビゲーションの仕組みを解明

ナビゲーショナルゴール

ショウジョウバエが世界でどのように向きを定めているかを示すニューロン（「コンパス」ニューロンと呼ばれる）は、2015年に初めて発見されました。

数年後、マイモン研究室と他の研究者による研究は、コンパスニューロンが機能不全のショウジョウバエは、任意の目標方向に沿って直線的にナビゲートすることができないことを示しました。

その発見に基づき、マイモン研究室の学生であり、Nature誌の論文の主執筆者であるピーター・ムッセルズ・ピレス氏（Peter Mussells Pires）は、ショウジョウバエの目標角度を追跡する細胞を発見することを目指しました。

ピレス氏とその同僚は、二光子顕微鏡を使用して、虫が仮想環境の中で空気浮上ボールの上を歩く間に、ショウジョウバエのニューロンをモニターしました。研究者が仮想環境を回転させるたびに、ショウジョウバエのコンパスニューロンの活動は脳内で回転しました。しかし、興味深いことに、FC2ニューロンとして識別された細胞群は、元の見出しに集中したまま動かずにいました。

「マンハッタンを上りながら歩いていると想像してみてください。誰かがあなたの肩を引っ張って東に向けるとします。あなたの脳の中には、元の見出しに戻るために、どちらが北であるかを追跡し続ける何かがあります。ショウジョウバエの場合、これらはFC2ニューロンです。」とマイモン博士は説明します。

FC2ニューロンが目標を追跡する役割を確認するために、チームはオプトジェネティクス（ニューロンの活動を光で制御する技術）を使用しました。FC2細胞の活動を操作することで、研究者は予測可能な方法でショウジョウバエのナビゲーション方向を変更することができました。「これは、これらの細胞が実際にショウジョウバエの目標を決定できると私たちを確信させた実験でした」とピレス氏は言います。

メンタル・マス

航路のニューロンと目標のニューロンが特定されたことで、チームはこれら2つの信号を組み合わせる脳内回路に焦点を移しました。最近の研究で、ショウジョウバエの脳コネクトーム（異なるニューロン間の接続を詳細に記述したマップ）を詳細に解明し、これが研究者たちを問題の回路に導きました。コネクトームは、一組の細胞、PFL3細胞がコンパスニューロンと目標ニューロンの両方からの入力を受け取ることを明らかにしました。

一連の実験では、PFL3ニューロンがショウジョウバエの身体にどの方向に曲がるかを指示することを確認しました。これは、脳の運動系に影響を与えることによって行われます。彼らは、内部の航路と目標の入力を比較することにより、ショウジョウバエのナビゲーションシステムの操縦輪のように機能します。

コロンビア大学の理論家、ラリー・アボット氏は、チームと協力して、このシステムの数学的理解を開発しました。アボット氏のモデルは、コンパスと目標の信号が、例えば北/東/南/西といった世界または地図の座標で表され、それが身体の座標系内での運動関連の信号、つまり左右の曲がりに変換される方法を捉えました。PFLニューロンに関する補足的な結果は、本研究と密接に関連しており、平行してNature誌に掲載されています。

マイモン研究室からの将来の研究は、ショウジョウバエが行動を導くために長期的な空間記憶と目標をどのように構築し保存するかに焦点を当てる予定です。この研究で特徴づけられた目標信号は、ショウジョウバエが次の数秒間に何をするかを説明するだけです。マイモン博士は、これらの新しい発見が哺乳類や最終的には人間で類似の脳回路の発見を促進するかどうかを知ることにも興味を持っています。

「ショウジョウバエの脳を研究することによって、我々は単純な『思考』がどのように行動に変換されるかについての初期的な見解を提供しました。願わくば、これらの発見が、道路を進むうえで哺乳類でこのプロセスのより複雑な形態を理解するのに役立つでしょう」と彼は言います。

[News release] [Nature article 1] [Nature article 2] [Nature News & Views article]