ショウジョウバエの神経細胞のつながりをマッピングする

コネクトミクスは神経系内の接続をマッピングすることに焦点を当てた分野だよ。目的は脳の働きをよりよく理解して、脳の構造の違いが行動や健康にどう影響するかを知ること。最初の研究は、小さなワームのC. elegansみたいな単純な生物に集中していて、研究者たちは302個のニューロン間の接続をマッピングしたんだ。このマッピングによって、これらのニューロンが行動にどう影響するかの新しい洞察が得られたんだ。同じような研究を果物バエのDrosophilaでも行っていて、特に特定の脳領域の接続が学習や記憶にどう寄与するかの理解が深まった。

#電子顕微鏡の課題

電子顕微鏡（EM）はコネクトミクスの重要なツールだけど、限界もあるんだ。まず、EMデータをコネクトームに処理するのは手間がかかって時間もかかる。だから、利用可能なコネクトームはしばしば特定の瞬間の脳のスナップショットに過ぎない。EMは異なる動物の脳の違いや、状況が変わったときに接続がどう変わるかを簡単に示せないんだ。それに、Drosophilaの研究ではEMが微細な接続を見逃すことが多くて、シナプスの数を少なく見積もってしまう。

EMは主に化学シナプスをキャッチするけど、ギャップジャンクションや神経調節物質による接続は含まれてないから、これも脳機能には重要なんだ。

#接続マッピングのための遺伝子法

EMの欠点に対処するために、研究者たちはニューロン接続のマッピングをより早く行える遺伝子技術に目を向けてる。そんな方法の一つがGRASPっていうもの。これは、異なるニューロンに発現する2つの非蛍光性のタンパク質（GFP）の部品を利用してるんだ。2つのニューロンが接続すると、GFPが再構築されて蛍光が出る。この方法は、Drosophilaのサーカディアンリズムを制御する特定のニューロンからの新しい接続を特定するのに効果的だったよ。

最近では、Trans-Tangoっていう新しい技術も出てきた。この方法はニューロン間の接続をもっと簡単に追跡できるようにしてる。Trans-Tangoでは、特定のヒトリガンドが選ばれたニューロンで発現して、それが神経系全体に発現している受容体に結合する。結合によってレポータージーンが活性化されて、特定の接続を視覚化できるんだ。この方法はDrosophilaの様々なニューロンタイプとその接続を特定するのに役立って、最近ではゼブラフィッシュでも使われるようになった。

#s-LNvニューロンの調査

小型外側腹側ニューロン（S-LNvs）はDrosophilaのサーカディアンリズムを調整するのに重要なんだ。これらのニューロンは24時間周期での行動に関与していて、動きや食事などが含まれる。s-LNvsは時間帯によって構造的な変化が顕著で、朝には突起を広げて、晩には引っ込める。彼らはまた、この日々のサイクルに従ってシナプス接続を作ったり壊したりすることでも知られてる。

s-LNvsの接続をよりよく理解するために、研究者たちはTrans-Tango法を使った。実験では成人のs-LNvsだけを対象にするように修正して、接続の数をカウントするのに役立つ専門のレポータージーンを使ったんだ。

結果として、s-LNvsは他の時計ニューロン群とまばらに接続していることが分かった。研究者たちはs-LNvsに接続されたニューロンを孤立させて、RNAをシーケンスしてそのアイデンティティをより深く知ることができた。この新しい方法はTango-seqと呼ばれていて、s-LNvsは主にCNMaを発現するDN1pニューロンという特定のサブセットと接続していて、マッシュルームボディ内のケニョン細胞とも接続していることが分かった。これは学習や記憶に重要だよ。

#Trans-Tangoの最適化

s-LNvの接続を特定するために、最初に研究者たちはPdf-Gal4っていう遺伝子ドライバーを使ったんだけど、これは脳の少数のニューロンをターゲットにしていた。でも、この方法は発達中に形成された接続を含んでしまう広い発現パターンをもたらしたんだ。それに対処するために、mifepristoneを使った時間指定の遺伝子発現ができるシステムを利用して、成人の接続だけがマッピングされるようにした。

アプローチを修正して核局在化レポータージーンを利用することで、ニューロンをより効果的に視覚化し、カウントできるようになった。最終的には、s-LNvsが様々な時計ニューロンに接続していることが分かったけど、接続の数はニューロンタイプごとに大きく異なってた。

#s-LNvsの接続パターン

s-LNvsは複数のタイプの時計ニューロンと接続していることが分かったけど、その接続は均一じゃなかった。例えば、s-LNvsはDN2のような特定のニューロンと常に接続していたけど、DN3のような他のニューロンとの接続はかなり少なかった。これはこれらのニューロンどうしの相互作用にかなりの違いがあることを示唆してる。

接続の変動も、違いが個々のハエの生物学的な変異によるものか、接続をマッピングするために使用された方法の技術的な側面によるものかという疑問を引き起こした。

研究者たちはその後、DN1pニューロンに焦点を当てて、彼らも同様のまばらな接続パターンを示すかを調べた。結果は、DN1pニューロンも他の時計ニューロンへの限られた接続を形成していることを示していて、s-LNvsのパターンと同じようなものであった。

#ニューロンアイデンティティのためのTango-seqの利用

Tango-seqは研究者たちにs-LNvsの接続をマッピングするだけでなく、ターゲットニューロンの分子的アイデンティティを見分けることも可能にした。s-LNvsに接続されたニューロンを孤立させた後、研究者たちは単一細胞RNAシーケンシングを行って、その転写プロファイルを分析した。

分析の結果、ターゲットニューロンは異なるクラスターに分類できることが分かった。それぞれのクラスターは知られているニューロンタイプに関連する特定の遺伝子の発現を示していたんだ。一部のクラスターは明確な細胞タイプを示していたけど、他のクラスターは低頻度またはシーケンスの質が悪いために完全に分類できないニューロンを含んでいた。

#ニューロン接続の検証

研究者たちはTango-seqを通じて特定された接続を確認するために、それらをニューロンの相互作用についての既存の知識と比較しようとした。これまでの研究では、s-LNvsとDN2ニューロンとの接続など、いくつかの接続が文献で記録されていて、検証の基礎を提供していたんだ。

ニューロンを共同染色して接続を調べることで、研究者たちはs-LNvsがCNMa陽性のDN1pニューロンと優先的に接続することを確認した。この検証は、新しい発見をハエの脳内のニューロン接続に関する既存の知識の信頼できる追加として確立するのに重要だった。

#構造的変化が接続に与える影響

ニューロン接続が時間とともにどう変わるかを観察するのは、動的な変化を生きている被験体で視覚化することが難しいから、その複雑さが増すんだ。研究者たちは、修正されたTrans-Tangoを使って、s-LNvsの毎日の拡張と収縮サイクル中の接続変化を観察できるかどうかを調べた。

そのために、ハエを恒常的な光条件下で保持したんだ。この状態は普通のリズミカルな変化を妨げるんだ。s-LNvの突起の構造を測定したところ、この状態で維持しているとDN1ニューロンへの接続が減少することに気づいた。これは自然な拡張と収縮のリズムがシナプス接続を維持するために重要だということを示唆しているよ。

この発見は、s-LNvsによって形成される接続は静的なものだけじゃなくて、ニューロンの現在の構造状態に基づいて変化する可能性があるという考えを示唆している。

#結論と今後の方向性

解剖学的データと単一細胞シーケンシングの統合は、脳の神経回路に関する理解を大きく進める重要なステップだよ。研究はs-LNv接続の複雑さを強調して、特定のニューロンタイプとの相互作用に関する新しい洞察を提供した。

でも、多くの質問は未解決のまま残っているんだ。たとえば、特定の接続がどのように作られたり壊れたりするのか、日々のサイクルの中でのメカニズムについてはさらに探求が必要だよ。それに、これらの接続がサーカディアンリズムによって影響される行動に関連する機能的な意味合いについても詳しく知る必要がある。ここで開発されたツールを利用した今後の研究は、Drosophilaやそれ以外の生物における脳の接続と機能の複雑さを解明するのに重要になるだろうね。