Convergence, chemical transmission and co-location of sensory inputs on the C. elegans AIY interneuron: a connectome test of the semblance hypothesis

脳は世界を理解するために作られた機械であるが、物理的な細胞のネットワークがいかにして個人的で内面的な体験を生み出すのかという点は、依然として最も深遠な謎の一つである。ニューロンが互いに繋がり、電気的なインパルスや化学的な囁きのような信号を伝えることで、私たちの知覚や記憶が構築されることは分かっている。しかし、コネクトームとして知られるこれらの接続の標準的な地図は、脳がいかにして「自己」という感覚や、匂いや味といった特定の感覚を生み出すのかを、まだ解明できていない。セムブランス仮説（semblance hypothesis）と呼ばれる理論的なアイデアは、欠けているピースを提示している。それは、脳が二つの事象を結びつけることを学習する際、関与するニューロンの微小な受容端が、信号を直接共有できるような方法で物理的に接触したり、連結したりするのではないかというものである。もしこれが真実であれば、脳は一つのものへの接続を活性化させるだけで、別のものの記憶を生成し、元の刺激が存在しない状態で一人称的な感覚を生み出すことができる。このようなメカニズムが生物の中に存在し得るかを検証するため、研究者たちは、完全にマッピングすることが可能なほど単純でありながら、学習し記憶することも可能なほど複雑な神経系を持つ生物に目を向けた。

この調査の対象は、成体において正確に302個の神経細胞を持つ、極めて小さな生物である線虫（C. elegans）である。科学者たちはすでに、強力な電子顕微鏡を用いて、この虫の神経系の配線図全体を再構築しており、あらゆるニューロン間のあらゆる接続の三次元的な地図を作成している。本研究において、研究者たちは、線虫の脳の特定の部位である神経環（nerve ring）に焦ብを当てた。ここには約180個のニューロンが含まれている。彼らは特に、線虫がどのように異なる感覚を関連付けることを学習するか、例えば、食べ物の匂いと食べ物の味を結びつけたり、温度の感覚と特定の場所を結びつけたりする方法について関心を抱いた。彼らが検証した理論は、これらの感覚が結びつくためには、食物、匂い、温度を感知する神経が単一の受容ニューロンへと収束する必要があり、かつ、それらの間の接続は電気的ではなく化学的であるべきだと示唆していた。さらに、もしこの理論が正しいならば、これらの感覚神経の微小な受容端は、その受容ニューロン上の特定の地点において、信号を直接共有できるように、互いに極めて密接に、あるいは接触するように配置されているはずである。

研究者たちは、線虫の神経環の三つの異なる完全再構成マップを検証し、食物、匂い、温度の感覚神経が実際に理論が予測する場所で合流しているかどうかを調べた。その結果、食物を感知する神経、臭気を感知する神経、そして温度を感知する神経はすべて、AIYと呼ばれる単一のインターニューロンへと、その接続の大部分を向けていることが判明した。この収束は偶然ではあり得ないほど特異的なものであった。これらの感覚神経は、利用可能な多くのニューロンの中にランダムに散らばるのではなく、この一つの標的に集中的に集中していたのである。加えて、研究者たちはこれらの神経がどのような種類の接続を行っているのかを確認した。線虫の神経系には電気的および化学的なリンクの両方が存在するが、これらの感覚神経からAIYニューロンへの接続は、ほぼ完全に化学的なものであった。この区別は極めて重要である。なぜなら、提案されたメカニズムは、電気的な接続の硬直的で即時的な性質ではなく、学習に必要な特定の柔軟な変化を可能にする化学的な伝達に基づいているからである。

最も微細な検証作業は、物理的な近接性を探ることであった。線虫の神経は、より大きな動物に見られるような複雑な分岐構造を持っていないため、研究者たちは、異なる感覚神経の受容端がAI的にもう一つの同じ場所に降り立っている場所を探した。その結果、食物を感知する神経は、確かにAIYニューロンの一方の側にある数箇所の特定の場所に集まっており、ランダムな確率よりもはるかに近くに配置されていることが分かった。この集積は、匂いや温度を感知する神経には見られず、また、食物と匂いのような異なる感覚の神経が合流する場所においても、特別な集積は見られなかった。このパターンは、脳が食物の感覚を処理するための安定した組み込み構造を持っていることを示唆している。これは生存に不可れる重要な要素である。一方で、食物と匂いのような異なる感覚間のリンクは、より一時的で柔軟なものであり、動物が新しい関連付けを学習した際に形成され、おそらく不要になった際には解消されるものであることを示唆している。

研究はまた、これらの神経がどのように配置されているかにおける優雅な対称性をも明らかにした。線虫の体の左側と右側の食物感知神経は、鏡像パターンを描いてAIYニューロンに降り立っており、左側の神経は片方の側では細胞体に近く、右側の神経はもう一方の側では近い位置にある。これら二つの側は、その遠端において直接的なブリッジによって接続されており、信号が両方向へ伝わるようになっている。この配置は、AIYニューロンが感覚神経へと信号を戻すフィードバックループと相まって、振動したりリズムを持って交互に作用したりする回路を示唆しており、左右両側からの入力を比較することで、線虫が環境をナビゲートすることを助けている可能性がある。しかし、研究者たちは、これらの構造的特徴が理論の予測と一致しているとはいえ、それがメカニズムが実際に機能していることの証明にはならないという点に注意を払った。マップは、神経が接触できるほど近くにあることを示してはいるが、それらが実際に連結されているのか、あるいは理論が記述するような方法で信号を共有しているのかまでは示すことができない。

結局のところ、本研究は、脳がいかにして内面的な感覚を作り出すかという理論に対して、強力な構造的基盤を提供した。すなわち、線虫の神経系がそのようなメカニズムを可能にするような組織化されていることを示したのである。これらの知見は、感覚入力が特定の標的に収束すること、それらが正しい種類の化学的伝達を用いること、そして直接的な相互作用を可能にするような形で集積していることを裏付けている。しかし、異なる感覚間の学習された関連において同様の集積が見られないことは、これらのリンクが線虫の脳における永続的な構成要素ではなく、動的で変化しやすいものであることを示唆している。この理論を真に確認するためには、科学者たちは生きている学習中の動物においてこれらの接続を観察し、この特定の配置を阻害することで、線虫が知覚や記憶を行うことが停止することを証明する必要がある。現時点では、線虫の脳のマップは、意識的な経験の最初の一歩を支えているかもしれない物理的なアーキテクチャの姿を、説得力を持って垣間見せてくれているのである。