Sensory recurrence and convergent integration in the C. elegans connectome
本研究は、*C. elegans*のコネクトームがランダムネットワークと比較して、感覚駆動型の再帰性が有意に高く収束性が低いことを明らかにしており、これは感覚ニューロンから統合インターニューロンへのフィードバック勾配を通じた非フィードフォワード信号伝達の構造的基盤を示唆している。
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微小な円形虫であるCaenorhabditis elegans（シー・エレガンス）の神経系は、脳がどのように機能するかを理解するための地図として長らく活用されてきた。科学者たちは数十年前から、この虫のあらゆる神経細胞が他のすべての細胞とどのように接続されているか、すなわち「コネクトーム」と呼ばれる完全な配線図を正確に把握している。長い間、この配線は単純な一方通行の道路に従っているという見解が支配的であった。すなわち、表面にある感覚ニューロンが外界を検知し、メッセージを中間ニューロンと呼ばれるインターニューロンに伝え、それがさらに運動を駆動する運動ニューロンへと信号を受け渡すというものである。それは、情報のクリーンで前方へ進む流れであるように思われた。しかし、光を用いて特定のニューロンを活性化させる最近の実験では、信号は必ずしも直線的に移動するわけではないことが示された。実際には、感覚ニューロンは、本来聞くべき相手だけでなく、脳の他の多くの部分からの信号にも反応することが多いのである。これは一つの謎を生み出した。もし配線図が一方通行の道路のように見えるのであれば、なぜ実際の交通量は、車が方向転換をするような、混雑した交差点のように振る舞うのだろうか。
この問題を解決するために、研究者のエルカイウム・M・ムトゥウとハビブ・ベナリは、単に細胞間の直接的な接続を数えるだけでなく、信号がニューロン間を跳ね返り、最終的に出発点へと戻っていく経路を辿ることによって、この虫の配線図をより深く掘り下げた。彼らは、温度を感知する役割を担う、熱走性（サーモタキシス）として知られる特定の回路に焦点を当てた。ネットワークを流れる経路のシステムとして扱う数学的手法を用い、あるニューロンに到達する活動のうち、実際にその同じニューロンに由来するものがどれくらいであるかを計算した。彼らは、この実際の配線を、生物学的な構造を持たずにシャッフルされた、同じ数の接続を持つ何千ものランダムなネットワークと比較した。その目的は、この虫の脳が信号をループさせて戻すための特別な設計を持っているのか、それとも、これらのループが多くの接続を持つことによる単なるランダムな副産物なのかを見極めることであった。
研究者たちは、この虫の脳はランダムな配線の配置よりもはるかに多くのループを含んでいることを見出した。実際、実際のネットワークは、ランダムなモデルよりも約3倍多くのこれらの回帰経路を含んでいた。最も驚くべきことは、これらのループがどこに位置しているかであった。ランダムなネットワークでは、最も活発で接続の多いハブにおいて最も多くのループ活動が発生する。しかし、この虫においては、最も激しいループ活動は、外界に最初に触れる感覚ニューロン、つまり連鎖の最前線で発生していた。信号が情報を統合し運動を制御するニューロンへと脳の深部へ進むにつれて、このループ効果は衰えていく。これにより、感覚の周辺部は信号が自らに折り返す場所であり、一方で、より深い処理センターは、多くの異なるソースから入力を受け取るものの、多くをは送り返さないという勾配が生じている。
このパターンは、ゼロから再構築された2つの全く異なる成虫のマップを含む、5つの異なるバージョンの虫の配線マップにわたって一貫していた。研究者たちはまた、これが単にニューロン同士が二方向の接続を持っている結果ではないかどうかも確認した。彼らは、直接的な双方向のリンクを取り除いたとしても、感覚ニューロンは偶然に期待されるよりもはるかに高い割合で信号が自身に戻る傾向を示していることを見出した。これらのループは短く、多くの場合、隣接する細胞を経由して1歩または2歩で戻るものであったが、これらは特に感覚層に集中していた。一方で、情報の統合を行う下流のニューロンは、多様なソースから信号を受け取るが、それらのソースは彼らに対して信号を返さない。これは、感覚ニューロンがフィードバックの網の中に独特に組み込まれている一方で、インテグレーター（統合器）は真の収束点として機能していることを意味している。
この構造的な発見が、虫が実際に生きて刺激に反応している際にどのように一致するかについても調査が行われた。過去の実験では、感覚ニューロンが刺激に反応することが示されており、これは彼らがフィードバックループの一部であることを示唆している。今回の新しい分析は、物理的な配線がこの挙動を裏付けていることを確認したが、同時に現在のマップが何を語り、何を語れないかという限界も明らかにした。構造的には、感覚の端から内側に向かって明確なループの勾配が見られるものの、生きている虫からの機能的なデータはノイズが多く、個々の細胞においてはこの同じ明確なパターンを見ることはできない。研究者たちは、その理由として、生存実験が非常に速い単発の反応のみを見ているのに対し、彼らが見つけた構造的なループは、数ステップを経て閉じ、少し長い時間の中で脳に影響を与える可能性があるためではないかと示唆している。
結局のところ、この研究は、虫の脳に対する私たちの見方を再構築するものである。それは単に外側から内側へと情報を運ぶ単純なパイプラインではない。むしろ、世界を感知する最初のニューロンたちは、感覚体験が決定を下すセンターに到達する前に、自分自身へと折り返す、高密度の回帰信号の網の中に捉えられているのである。対照的に、脳のより深い部分は、多様な入力の真の「シンク（吸収源）」として、多くの場所から情報を集めながら、多くをは送り返さない。感覚の端は回帰に富み、核となる部分は収束に富むというこの構造的な配置は、なぜ虫の脳における信号が一直線には流れないのかという理由に対する物理的な説明を提供している。それは、脳が世界を処理する能力が、感覚が常に自分自身と対話し、残りの脳が世界全体に耳を傾けるという、特定のアーキテクチャに依存していることを示唆している。
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