ショウジョウバエの中央複合体を理解する

果実バエの脳、Drosophila melanogasterには「中央複合体（CX）」と呼ばれる重要なエリアがある。このエリアは約2800個の細胞から成り立っていて、257種類の細胞がそれぞれの構造や接続の仕方に基づいて組織されている。CXは、バエが周りの環境を感じて反応する際の情報の流れを管理するのに重要で、特に方向感覚や動きに関わっている。最近の研究では、これらの行動に関わるさまざまな細胞タイプと回路を特定するのが進展してきた。センサリー入力の処理や動きの制御だけでなく、CXは睡眠や活動レベルの調整にも関わっていると考えられている。しかし、CXにはまだ知られていない機能がもっとある可能性が高い。

#中央複合体の構造

CXの構造は複雑で、いくつかの異なる領域、すなわち「神経束」と呼ばれる部分から成っている。これらの神経束は情報処理にとって重要で、主要な構成要素には以下が含まれる：

1. 扇形体（FB）
2. 前脳橋（PB）
3. 楕円体（EB）
4. ノデュリ（NO）
5. 非対称体（AB）

これらのエリアが協力してCXのさまざまな機能を果たしている。

#最近の研究の焦点

研究者たちは、CXに見られる異なる細胞タイプの遺伝的構成を理解しようとしている。彼らは、これらの細胞タイプをより良く研究するために「遺伝子ドライバーライン」と呼ばれる特定のツールを開発した。これらのツールを使うことで、科学者は成虫の果実バエの脳で特定の遺伝子がどのように発現しているかを調べることができる。目指すのは、CX内の80以上の異なる細胞タイプでどのように神経伝達物質や神経ペプチドが使われているかの情報を集めることだ。CXの多くのニューロンは神経ペプチドを作り使っていて、いくつかは速効性の神経伝達物質とともに複数の神経ペプチドを生産する。

#睡眠と活動の調査

中央複合体は方向感覚や動きだけでなく、睡眠と活動レベルの調整にも関わるようだ。研究者たちは、CX内の特定の細胞タイプを活性化すると睡眠や活動にどのように影響するかを分析している。彼らは特定のツールを使って、これらの行動に影響を及ぼす可能性のある新しい細胞タイプを発見し、サーカディアン・クロックとCXの間のより複雑なコミュニケーションシステムを示唆した。

#コネクトームの現在の理解

コネクトームは、脳内の異なる細胞がどのように接続されているかの詳細な配線図だ。CXのコネクトームは、研究者たちがCXがどのように機能するかを理解するのに重要な情報を提供している。コネクトームは多くの接続を示しているが、CX内の細胞タイプの具体的な機能がまだ明確でないものが多い。細胞タイプの特定の遺伝子ツールを使うことで、個々の細胞タイプの活動を測定し制御することが、機能を学ぶ一つの方法だと研究者たちは考えている。

#新しい遺伝子ドライバーライン

CXをより良く研究するために、研究者たちはCX内の異なる細胞タイプ専用の新しい遺伝子ドライバーラインを作った。彼らは、果実バエの脳の他の部分、例えばマッシュルーム体や視覚系で以前に使われていた方法を使った。この新しいドライバーラインを生成することで、以前のコネクトーム研究で定義されたCX内の細胞タイプのほぼ3分の1を調べる能力を向上させた。この新しいラインは、これらの細胞タイプの機能を研究するより信頼できる方法を提供する。

#細胞タイプにおける神経伝達物質の発現

CX内の細胞タイプがどのような神経伝達物質を使っているかを調べるために、研究者たちはEASI-FISHと呼ばれる方法を用いた。この方法では、脳内で神経伝達物質を作り出す特定の遺伝子を調べることができる。彼らは100以上の異なる細胞タイプを調査し、どんな神経伝達物質が存在しているか、どのように活発であるかを理解しようとした。例えば、アセチルコリン、GABA、グルタミン酸、ドパミン、セロトニンなどの生成に関わる化学が分析された。この情報は、CX内での細胞同士のコミュニケーションを理解するために重要だ。

#中央脳における神経ペプチドの調査

神経ペプチドは脳のコミュニケーションにおいても重要な役割を果たしていて、従来の神経伝達物質よりも広い距離で信号を送ることができる。研究者たちは神経ペプチドの体系的リストを使用して、CX内での発現を評価した。特定の神経ペプチド受容体遺伝子を調べることで、これらの神経ペプチドがバエの行動や脳の機能にどのように影響を与えるかを研究することを目指した。

#神経ペプチドの発現パターンに関する発見

調査の結果、研究者たちは神経ペプチドが2つのカテゴリーに分かれることを発見した。ある神経ペプチドは少数の大きな細胞に存在し、他のものは数十から数百の細胞に分布している。この広い分布は、神経ペプチドが脳内の複数の経路での局所的なコミュニケーションを可能にすることを示唆している。さらに、神経ペプチド受容体は、神経ペプチド自体よりも広い発現パターンを持っているようだ。

#神経伝達物質と神経ペプチドの共発現

興味深い発見は、神経ペプチドを発現しているすべての細胞タイプが小さな神経伝達物質も発現しているということだ。この結果は、CX内でのコミュニケーションにはしばしば両方のタイプの信号分子が関与することを示唆している。特定された共通の小さな神経伝達物質にはアセチルコリンやグルタミン酸が含まれ、一部のケースではGABA、ドパミン、セロトニンも関与している。2つの速効性の神経伝達物質が同じ細胞タイプに共存するのは珍しいが、速効性と調整性の伝達物質が共存することはより一般的だ。

#睡眠を修正する細胞タイプのスクリーニング

睡眠は果実バエで研究されている複雑な行動で、CXは睡眠調整にとって重要なエリアと特定されているが、その目的で多くの細胞タイプはまだ探索されていない。遺伝子ドライバーラインを使って、研究者たちは、活性化が果実バエの睡眠や活動に大きな影響を与える細胞タイプをスクリーニングすることができた。

#睡眠スクリーニングからの結果

スクリーニングの結果、研究者たちは、睡眠を修正する役割が以前は認識されていなかった特定の細胞タイプをいくつか特定した。例えば、hDeltaFという細胞タイプは覚醒を促進することがわかった。他の特定された細胞タイプも、活性化されると睡眠行動に影響を与える可能性があることが示された。

#中央複合体とサーカディアン・クロックの接続性

コネクトームは、睡眠に関連する多くのCXの細胞タイプが接続されていることを示している。サーカディアン・クロックからCXへのいくつかの経路は以前の研究で注目されている。しかし、特定の細胞タイプ、例えばSMP368やSMP531は、サーカディアン・クロックとCXをつなぐ新しい経路の重要な部分かもしれないという結果が出ている。

#結論

この研究は、CX内の細胞タイプを研究するための遺伝的ツールを改善し、この複雑な脳領域の多くの機能を明らかにするのに役立つだろう。進行中の作業は、これらの機能が睡眠や活動の調整とどのように関連しているのかを理解することに焦点を当てている。神経ペプチドや神経伝達物質の発現を調査することで、研究者はCX内のコミュニケーションがどのように行われるかについての洞察を得ることができ、脳の複雑なネットワークに関する将来の発見への道を切り開くことができる。

#この研究で使用された方法

#スプリット-GAL4ラインの生成

スプリット-GAL4ラインを作るために、研究者たちは多くのゲノム断片をスクリーニングして、希望する細胞タイプで発現を示すものを見つけた。これらのラインは、細胞タイプの特異性を確認するために共焦点イメージングを通じてテストされ評価された。

#スプリット-GAL4ラインの特性評価

ラインは、脳全体と腹側神経索での発現パターンをイメージングして特性評価された。より高い倍率のイメージングと確率的ラベリングも使用して個々の細胞を可視化した。

#RNA原位置ハイブリダイゼーション

細胞内の遺伝子発現を分析するために、研究者たちはEASI-FISHを用いた。彼らは成虫の脳内で異なる神経ペプチドや受容体の発現パターンを可視化した。

#睡眠の測定と分析

睡眠研究のために、スプリット-GAL4バエを他の遺伝子ラインと交配し、制御された条件下で維持した。研究者たちは、バエの活動に関するデータを収集するために特別なシステムを使用して、さまざまな睡眠パラメータを測定した。

#統計分析

睡眠実験からのデータは、異なる細胞タイプを活性化することが睡眠や活動に与える影響を判断するために統計的に分析された。比較は、結論を導くために確立された統計手法を使用して行われた。

#今後の方向性

この研究は、CXがさまざまな行動において果たす役割に関するさらなる調査のための基礎を築いている。今後の研究では、確立された遺伝子ツールや発見をもとに、CXと他の脳領域との関係、特に睡眠や活動レベル、さらにはより複雑な行動反応に焦点を当てて分析が進むと考えられる。研究者たちがこれらの複雑なネットワークの理解を深め続ける中で、新しい洞察が果実バエや他の生物の脳の機能に関して浮かび上がることが期待されている。