Biased projection neuron-Kenyon cell connectivity shapes odor representations and learning in the Drosophila mushroom body

動物がどのように学習するかを理解するために、科学者たちはしばしば脳の記憶センターに注目する。そこは、生の感覚データが、精神が蓄積・想起できる何かへと変換される場所である。これらのセンターにとっての主要な課題は、2つの相反するニーズのバランスを取ることである。すなわち、膨大な数の異なる事象を識別できなければならない一方で、食物の匂いや捕食者の気配といった、生存にとって重要な特定の信号に対して特別な注意を払わなければならないということである。多くの動物、果実蠅（ショウジョウバエ）を含む、この処理はキノコ体と呼ばれる構造の中で行われる。この構造内部では、密集した感覚信号が、より大きなグループの処理細胞へと受け渡される。理論的なモデルは長らく、脳が最大限の情報を扱うためには、これら2つのグループ間の接続は、トランプのデッキをシャッフルしてどのカードも等しい確率でどこかに落ちるように、完全にランダムであるべきだと示唆してきた。このランダム性は、最も明確で分離可能な記憶を作り出すと考えられてきた。しかし、純粋にランダムなシステムには欠陥がある。それは、危険な匂いと中立的な匂いを全く同じものとして扱い、何が重要であるかを優先するための組み込みの手段を持たないことである。

ショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）を研究している研究者たちは、現在、脳が純粋なランダム性に固執するのではなく、その配線に微細で系統的なバイアスを導入することによって、この問題を解決していることを示した。ショウジョウバエのキノコ体内では、信号は、香りの情報を運ぶ投影ニューロンから、記憶プロセッサーとして機能するケンニオン細胞へと移動する。これらの細胞の任意のペア間の接続は一見ランダムに見えるが、研究者たちは、全体のパターンはそうではないことを見出した。特定の種類の投影ニューロンは、他のものよりも頻繁にケンニオン細胞へと接続している。具体的には、これらの入力ニューロンのいくつかのタイプは、他の対照的なタイプよりも最大で15倍頻繁に接続している。これは混沌とした混合ではなく、脳が世界に対してどのように反応するかを変える、構造化された嗜好性である。

この研究は、この配線のバイアスが、ショウジョウバエの学習方法を直接的に形作っていることを明らかにしている。ある匂いが大規模なグループのケンニオン細胞（具体的には、それらの20パーセント以上）を活性化させるとき、そのハエはその香りの強い、持続的な記憶を形成する。対照的に、これらの細胞の10パーセント未満を活性化させる匂いは、学習が非常に不十分である。研究者たちは、入力ニューロンと記憶細胞の間の接続の強さが、匂いが脳によってどれほど広く感じられるかを決定することを突き止めた。しかし、システムは単なるボリュームの問題ではない。研究者たちは、VL1として知られる特定の入力ニューロンのグループを特定したが、これらは異なった挙動を示す。これらのニューロンは記憶細胞に対して弱く接続しているにもかかわらず、依然として広範囲の細胞に活動を引き起こすことができる。しかし、これほど広範な活動にもかかわらず、これらの特定のニューロンによって運ばれる匂いは、良好な学習を生み出すことができない。このことは、脳には、活動の量に関わらず、一部の信号を記憶へと通過させ、他の信号を遮断する特定のゲートまたはフィルターが存在することを示唆している。

これらの知見は、ショウジョウバエの脳が、記憶を保存するために純粋にランダムなシャッフルに依存しているのではないことを示している。代わりに、脳は、その物理的な接続の中に重要性の階層を直接埋め込んでいる。特定の種類の入力ニューロンを他のものよりも優先することで、脳は、膨大な種類の香りを区別する能力を失うことなく、同時に最も生物学的に関連性の高いものが最も効果的に学習されることを確実にしているのである。この研究は、脳のアーキテクチャ自体が生存を優先しており、それによって動物が、世界の他の部分を認識する能力を失うことなく、何が重要であるかを記憶できるようにしていることを実証している。