「小魚」の視線の変化をマッピングする

ゼブラフィッシュは科学的に不思議な魚だ。クズリのような再生能力を持ち、損傷後の脊髄をほぼ完全に再生することができる。また、動物の脳の最も原始的な状態のいくつかについての洞察を科学者に与えてくれる。生後1週間のゼブラフィッシュの幼生を研究しながら、科学者チームは脳幹のニューロンネットワークによる接続がどのようにして魚の視線を誘導するのかを解読した。彼らはまた、動物の脳の視覚的な動きと活動を予測できる単純化された人工回路を作成した。この発見は、脳が短期記憶を処理する方法に光を当て、人間の眼球運動障害を治療する新しい方法につながる可能性がある。この発見は、11月22日のNature Neuroscience誌に掲載された研究で詳述されている。この研究には、眼球運動を制御している脳の領域を鮮やかな色で示す顕微鏡で撮影した印象的な画像も掲載されている。

目の動きと脳の状態の変化

動物の脳は、意識的に認識していないときでも、環境に関するさまざまな感覚情報を絶えず取り入れています。このデータは瞬間ごとに変化することが多く、脳はこれらの素早い小さな情報の核を、理解できるまで保持するという課題に直面しています。たとえば、一連の不思議な音を結び付けたり、獲物や遠くに潜む潜在的な脅威など、動物が関心のある領域に目を向け続けるようにしたりする必要があります。

「こうした短期記憶行動が神経メカニズムのレベルでどのように生成されるかを理解することが、このプロジェクトの中心的な目標です」と、研究の共著者でコーネル大学ワイル医学部の生理学者エムレ・アクサイ氏は声明で述べた。

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神経科学者は、これらの動的な脳回路で起こっている行動を解読するために、システムの状態が時間とともにどのように変化するか、そして一連の規則に従って現在の状態が回路の将来の状態を決定する場所を説明する数学モデルを構築します。脳の短期記憶回路の 1 つは、新しい刺激が現れるまで、単一の好ましい状態に留まります。新しい刺激が現れると、回路は新しい活動状態に落ち着きます。視覚運動システムでは、これらの状態のそれぞれが、動物が正確にどこを見るべきかの記憶を保存できます。

しかし、そのようなシフトシステムの構築に役立つルールとパラメータについては疑問が残ります。1 つの可能性は、回路の構造、つまり各ニューロン間に形成される接続と、それらが構成する接続の数です。2 つ目の可能性は、それらの接続の生理学的強度です。この強度は、放出される神経伝達物質の量、神経伝達物質を捕らえる受容体の種類、それらの受容体の濃度など、いくつかの要因によって決まります。

神経回路をゼロから構築する

この新しい研究で、研究チームは視覚系に回路構造がどのような貢献をしたかを理解しようとした。ゼブラフィッシュの「小魚」は生後わずか 5 日ですでに泳ぎ回り、獲物を狩っている。餌を探すには持続的な視覚的注意が必要で、眼球運動を制御する脳の領域は魚類と哺乳類で構造的に似ている。しかし、ゼブラフィッシュのシステムには 500 個のニューロンしか含まれていない。比較すると、人間の脳には約 1,000 億個のニューロンがある。

「そのため、回路全体を顕微鏡的かつ機能的に分析することができます」とアクセイ氏は言う。「他の脊椎動物でこれを行うのは非常に困難です。」

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研究チームは、いくつかの高度な画像技術を使用しながら、ゼブラフィッシュの視線の制御に関与するニューロンと、これらのニューロンがどのように相互に接続されているかを特定しました。研究チームは、このシステムが 2 つの顕著なフィードバック ループで構成されていることを発見しました。これらのフィードバック ループのそれぞれには、密接に接続された 3 つの細胞クラスターが含まれています。この設定を使用して、研究チームはゼブラフィッシュの脳のこの部分で何が起こっているかを示すコンピューター モデルを構築しました。

研究チームが構築した人工ネットワークを実際のゼブラフィッシュの生理学的データと比較したところ、偽のネットワークが活動パターンを正確に予測できることがわかった。

「私は何よりもまず自分自身を生理学者だと考えています」とアクサイ氏は言う。「ですから、解剖学的構造だけで回路の挙動をどれほど予測できるかに驚きました。」

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将来の応用

今後の研究では、各クラスターの細胞が回路の挙動にどのように寄与しているか、また異なるクラスターのニューロンが特定の遺伝子シグネチャを持っているかどうかを調べる予定である。この種のデータは、臨床医が人間の眼球運動障害で機能不全を起こしている可能性のある細胞を治療的に標的にするのに役立つ可能性がある。斜視は両目が同じ方向に一列に並ばず、「寄り目」または「ウォールアイ」となる場合に発生する。眼振障害は、制御不能な高速眼球運動として現れ、「ダンシングアイ」と呼ばれることもある。

この発見は科学者たちに、言語を理解したり画像を解読したりするような、短期記憶に依存する脳内のより複雑な計算システムを解明する方法も提供する。