The female larval fly CNS connectome: first draft
本論文は、キイロショウジョウバエ（*Drosophila melanogaster*）の第1齢雌幼虫の中枢神経系における、初の完全かつギャップのないコネクトームの初稿を提示するものであり、機械学習の開発および人間による校閲のために公開されている、ニューロン、ミトコンドリア、シナプス、およびグリアの大部分が自動セグメンテーションされた拡張FIB-SEMボリュームを提供するものである。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
動物がどのように考え、どのように動くのかを理解するために、科学者たちはしばしば、コネクトームとして知られるその脳の配線図を調べます。この地図は、あらゆる個々のニューロンと、それらが互いに情報をやり取りする特定の接続部であるシナプスを示しています。同じ年齢で同じ背景を持つ二人の人間であっても、筆跡や問題解決の独特な方法が異なるように、遺伝的に同一の動物であっても、脳の配線にはわずかな違いが生じることがあります。脳のどの部分が柔軟で、どの部分が硬直しているのかを見出すためには、研究者たちは多くの個体の脳をマッピングして、どの程度差異があるのかを確認する必要があります。長い間、これらの地図を作成することは、構造が微細であり、必要とされるデータが膨大であるため、非常に困難な作業でした。ショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）は、その神経系が管理可能なほど小さく、かつ興味深いほど複雑であるため、この種の研究において長らく好みの対象となってきました。科学者たちはすでに成体のショウジョウバエの脳の一部をマッピングしていますが、卵から孵化した直後の、虫のような形態をした幼虫の段階は、脳が身体を制御することを学ぶ重要な時期であるにもかかわらず、長らく未開拓の領域のままでした。
ある研究チームが、雌のショウジョウバエ幼虫の全中枢神経系の、完全ではあるものの、まだ粗い初稿となる最初の配線図を公開しました。彼らはこのデータセットを「Octo」と呼んでいます。極めて精密に組織を切り進む強力なタイプの電子顕微鏡を使用することで、彼らは幼虫の脳と神経索全体の三次元画像を捉えました。得られた画像は、膨大なデータブロックであり、このようなプロジェクトでしばしば問題となる隙間や歪みのないものです。この生の画像から、チームは人工知能を用いて、ニューロンの経路を自動的に辿り、細胞内にある小さな発電所であるミトコンドリアの位置を特定し、支持細胞であるグリア細胞を識別し、ニューロンがどこで互いに接続するかを予測しました。この研究は、幼虫のショウジョብバエの中枢神経系を完全に俯瞰する初めての視点を提供し、多くの個体を比較して脳の回路がどのように変化するか、そしてそれらの変化がいかにして異なる行動につながるかを理解するための基礎となるものです。
研究者たちはまず、一匹の雌の幼虫を準備し、強化された収束イオンビーム走査電子顕微鏡で撮像することから始めました。この技術により、あらゆる方向に対して8ナノメートルの解像度で組織を観察することが可能となり、細胞を隔てる膜のような細部まで捉えることができました。最終的な画像ボリュームは膨大であり、砂粒ほどの大きさの物理的空間を表す数十億の微小な3Dピクセルを含んでいます。このデータを理解するために、チームはパターンを認識するように設計された一連のコンピュータプログラムを適用しました。彼らは、三つの異なるバージョンのニューロンマップを作成しました。一つのバージョンは、ニューロンが誕生する細胞体と、信号を運ぶ長い繊維を含む神経系全体をカバーしています。他の二つのバージョンは、脳の中心にある、ニューロンが密集して絡み合っている領域であるニューロピルに特化しています。コンピュータによって生成されたマップを、人間の専門家が手作業で注意深く確認した少数のニューロンと比較した結果、チームは、「洪水充填ネットワーク（Flood-Filling Networks）」と呼ばれる手法を用いて作成された最も包括的なマップが、個々のニューロンを分割したり、二つの異なるニューロンを一つに統合したりすることなく、個体を完全な状態に保つ上で最も正確であることを発見しました。
単に配線を辿るだけでなく、チームは、一つのニューロンが別のニューロンに信号を伝える微小な接合部であるシナプスの位置もマッピングしました。彼らは、科学者が丹念に数百の接続を特定した、脳のいくつかの小さな手動注釈セクションを用いてコンピュータモデルを訓練しました。モデルがこの特定の種類の画像におけるシナプスの外観を学習すると、モデルは全中枢神経系をスキャンし、350万件以上の潜在的な接続を予測しました。これらの予測はまだ完璧ではなく、人間の検証を必要としますが、これらは全通信ネットワークの最初のドラフトを提供します。チームはまた、細胞内のエネルギー生成オルガネラであるミトコンドリアと、ニューロンを包み込みサポートするグリア細胞もマッピングしました。これらの追加のマッピングは重要です。なぜなら、ミトコンドリアの形状や位置は、ニューロンが完全であるかどうかを科学者が検証する際の助けとなるためであり、またグリア細胞は、脳がどのように組織化されているかという文脈を提供するからです。
著者らは、今回の公開は完成品ではなく、出発点であることを明確にしています。現在のマップは大部分が未校閲であり、つまり、コンピュータが構造の追跡という重労働を行っていますが、人間がすべての線を一つひとつチェックしたわけではないことを意味しています。データセット全体を手作業で修正するには数十年の作業が必要となるため、チームは、生物学的な知識を利用してエラーを自動的に修正できる、より優れたコンピュータツールの開発を促すことを期待しています。例えば、ミトコンドリアは通常、接続の始点付近に存在するという知識があれば、コンピュータプログラムは検出されたリンクが本物であるか、あるいは間違いであるかを判断するのに役立ちます。こうした限界はあるものの、このデータセットは重要な節目となります。これは、幼虫のショウジョウバエの全中枢神経系が一つの塊として再構成された初めての事例であり、第一齢期の雌の完全なマップ化された二番目の脳です。生画像、コンピュータ生成マップ、およびソフトウェアツールをすべて公開することで、研究者たちは科学コミュニックティに強力な新しいリソースを譲り渡しました。これにより、他の科学者たちが、幼虫の脳がいかにして身体を制御するのか、感覚情報がいかに運動を制限するのか、そして個々のハエの配線がいかに異なるのかを探求し始め、神経回路がどのように進化し機能するのかについての理解を深める道が開かれました。
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