ハエの運動制御のマッピング：動きの調整に関する洞察

運動行動は、単純な反射から複雑な動きまで、運動ニューロン（MNs）の活動から生まれる。このニューロンは、脳や脊髄から体の筋肉に信号を送る。単一の運動ニューロンとそれが制御する筋肉繊維は、運動単位と呼ばれるものを作る。これらの運動単位を使う異なるパターンにより、動物は幅広い行動を行うことができる。研究者たちは、肢の動きや神経を通る電気信号を調べることで、これらの運動単位がどのように協力して働くかを研究してきた。しかし、これらの運動単位がどのように組み合わさるかは、脳や脊髄内のニューロンの構造や接続によって異なる。この接続を理解することで、神経系が運動をどのように調整しているかの洞察を得られる。

最近の技術の進歩により、コネクトミクスという方法を使ってニューロンとその接続の詳細な地図を作成することが可能になった。これにより、特定の生物（小さな線虫や幼虫のショ糖果実バエなど）の神経接続の完全な地図であるコネクトームが作成された。これらの地図は、神経系がどのように動きを制御するか、例えば、ミミズが波のように動く方法について詳しく学ぶのに役立つ。科学者たちはまた、果実バエの脳や脊髄のデータも集めており、これは脊椎動物の脊髄と似た機能を持っている。これらのデータセットを分析することで、研究者は異なる肢の制御方法を比較することができる。

ハエは歩いたり、毛づくろいをしたり、戦ったりするために足を使う。各足の先端の位置は、5つの関節の動きによって決まる。最初の関節が最も動きの範囲が広い。各足には、ほとんどの関節に2つ以上の筋肉が作用している。たとえば、前足には18の筋肉があり、69の運動ニューロンによって制御されている。これらの運動ニューロンは、筋肉の動きを制御するために一緒に働くグループにさらに分けられている。

多くの種では、グループ内の運動ニューロンは、筋肉の収縮をスムーズに制御するために特定の順序で発火する傾向がある。この発火順序はサイズ原則と呼ばれる原則に基づいており、遅い筋繊維を制御する小さな運動ニューロンが最初に活性化され、その後に速い筋繊維を制御する大きな運動ニューロンが続く。この順序を生み出す脳内のニューロンの正確な配線は、最初に発見されて以来完全には説明されていない。

ハエが翼を制御する方法は、足を制御する方法とは異なる。翼の運動ニューロンは同じリクルートパターンには従わないようだ。代わりに、羽ばたきのために独自の特性を持つ複数の筋肉群に依存している。これらの筋肉は、飛行のための主要な力を生み出すものと、硬さを調整し翼の進行方向を制御するものに分けられている。翼の動きに寄与する各筋肉は、個々の運動ニューロンによって制御され、より大きな運動グループの一部としてではなく独立して機能する。

過去の研究は翼の筋肉の働きについての洞察を提供したが、脳内の神経回路がこれらの動きをどのように調整しているかについてはあまり理解されていなかった。コネクトミクスを使用することで、科学者たちは脳から運動ニューロンへのシナプス入力がどのように接続されているのかを再構築することができる。これにより、異なる肢のユニークなバイオメカニクスを処理するために神経回路がどのように配置されているかを比較することが可能になる。

研究者たちは、左前足と左翼の運動ニューロンに信号を送るすべてのニューロンの接続を再構築した。彼らは感覚に特化し、他の足よりも大きな動きの能力を持つ前足に焦点を当てた。分析の結果、足の運動ニューロンはさまざまな前運動ニューロンから多数のシナプスを受け取ることが明らかになった。平均して、各運動ニューロンには188の前運動ニューロンから約3,641の入力シナプスが来ている。

足と翼の運動ニューロンへのシナプス入力の大部分は、脊髄内の局所的な介在ニューロンから来ている。過去の研究では脳からの下行ニューロンの役割が強調されていたが、実際にはこれらの下行ニューロンはシナプスの小さな割合しか寄与していないことがわかった。これは、脳からのほとんどの信号が運動ニューロンに到達する前に局所回路を通じて処理されることを示唆している。

入力接続にはいくつかの独特なパターンが観察された。たとえば、特定の翼の運動ニューロンは飛行中に高頻度で発火することが示され、タイミングに関して感覚フィードバックに依存していることを示している。

研究はまた、グループ内の運動ニューロンがどのように協力して働くかも探求した。たとえば、足の多くの運動単位が関節周りにトルクを生み出す筋肉と連携している。結果は、同様の機能を持つ運動単位が似たようなタイプの入力を受け取る傾向があり、一緒に働く運動ニューロンのモジュールを形成することを示した。このクラスタリングは、神経系が関連する運動単位を接続することで動作制御を単純化していることを示している。

翼のモジュールを見たとき、研究者たちは入力パターンがはるかに複雑であることに気づいた。異なる舵取り筋肉は異なる入力接続を受け取った。この柔軟性は、翼の動きをより正確に制御できる可能性がある。

結果は、足のモジュールはより小さなニューロンが最初に活性化される階層構造を好む一方、翼のモジュールは多様な動きを可能にする構造になっていることを示唆しており、ハエが複雑な動作を行えるようにしている。局所ニューロンがこれらの運動モジュールに接続する方法の違いは、各肢のバイオメカニクスの独特な要求を反映している。

さまざまなタイプのニューロンがどのように接続され、信号を処理するかを理解することで、運動制御についてのさらなる疑問が生まれる。これは、運動ニューロンの数やサイズは異なっても、それらの接続パターンは特定の機能に合わせて整理されていることを示唆している。単純な歩行であれ、複雑な飛行であれ。

全体として、この研究はハエの動きの背後にある神経接続について貴重な洞察を提供している。足と翼を比較することで、研究者たちは神経系がさまざまなタイプの動きを制御するために使用する異なる戦略について学ぶことができる。この知識をもとに、これらの回路がどのように発展し、動物の必要に応じて適応していくかについてさらに研究が行えるだろう。