13万個の注釈付きニューロンと5,300万個のシナプスを備えた初の完全な「成虫のハエ」脳コネクトームをプリンストン大学などが発表

現在、線虫(Caenorhabditis elegans) (ニューロン 302 個) からキイロショウジョウバエ (ニューロン約 100,000 個) まで、さまざまな生物の全脳コネクトームをマッピングするプロジェクトが数多くあります。キイロショウジョウバエは人間によって最も徹底的に研究された生物の 1 つであり、2017 年現在、ショウジョウバエを使った研究で 8 つのノーベル賞が受賞されています。

研究者らによるショウジョウバエの研究は続いており、最近、プリンストン大学や他の機関の研究者らが、約13万個の注釈付きニューロンと数千万種類のシナプスを含むショウジョウバエの全脳コネクトームを発表した。 。

基本的な神経系が古代動物の時代から存在していたことは誰もがある程度知っていますが、脳系の出現は 500 年まで遡ることができます。百万年前。研究によると、脳をさまざまな領域に分割すると、その機能を理解するのに役立つことがわかっています。

しかし、ニューロンおよびシナプスレベルでの神経接続マップについては長年にわたり論争があり、この現象の主な理由は、人間にはそのような接続マップを再構築する能力が欠けていることです。 。 テクノロジー。テクノロジーが進化するにつれて、状況が変わり始めたのは 21 世紀初頭になってからです。

今日まで、プリンストン大学およびその他の機関の研究者らは、ショウジョウバエの成体脳の最初の完全な神経接続マップであるショウジョウバエの全脳コネクトームを発表しました。

写真

論文アドレス: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546656v1。 full.pdf

##写真

結果の発表後、誰かがこう言いました。「多くのプロジェクトが、さまざまなデータの全範囲をマッピングしました。生物。線虫 (302 ニューロン) からキイロショウジョウバエ (約 100,000 ニューロン) までの脳コネクトームのマップ。現在の計算能力では、なぜ仮想 3D 環境でこれらの生物の正確なコンピューター シミュレーションを実行できないのでしょうか? 》

ショウジョウバエ成虫の脳の最初の完全な神経接続マップ

ショウジョウバエの脳は非常に小さく見え、10の5乗のニューロンと10の8乗のシナプスがあるにもかかわらず、ショウジョウバエはこれらを使って、見たり、匂いを嗅いだり、聞いたり、歩いたり、そしてもちろん飛ぶこともできます。

研究者たちは長い間、電子顕微鏡 (EM) 画像を通じてショウジョウバエの脳の一部を再構成してきました。これらの画像は鮮明で、小さいサイズのニューロンを示すことができます。シナプス。結果として得られる神経回路の接続マップは、脳が社会的行動、記憶関連の行動、ナビゲーション行動をどのように生成するかについて重要な洞察を提供します。

しかし、EM法は脳の一部の領域に適用され、情報豊富な局所結合マップが再構築されましたが、この方法は脳機能をより包括的に理解するにはまだ不十分です。不十分。

以前、研究者らは、Ito らの研究に基づいて単一のシナプス グリッドを構築しました。この記事で使用されているグリッドは、以前に完全な脳セグメンテーションを生成した JFRC2 標準脳テンプレートに基づいています。これらのグリッドは、Virtual Fly Brain プロジェクトでも使用されます。この調査では、一連の非剛体変換を通じて、これらのメッシュを JFRC2 空間から FlyWire (FAFB14.1) 空間に移動します。

注: FlyWire は、ショウジョウバエの脳を探索するための全脳コネクトミクス プラットフォームです。 2019 年以来、科学者と経験豊富な校正者は FlyWire を使用してショウジョウバエの脳全体の AI セグメンテーションを校正してきました。 2023 年 6 月の時点で、中枢脳全体を含む 120,000 個を超えるニューロンが FlyWire で校正されています。

以下に示すように、この研究で再構成されたショウジョウバエの成体脳全体には、127,978 個のニューロンが含まれており (図 1a)、それらの間に 5,300 万個のシナプスが存在します。成人女性キイロショウジョウバエの全脳画像（図1e、f）は、連続切片転送EMによって以前に取得され、Zhengらによってパブリックドメインにリリースされました。 ＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃＃写真＃＃＃＃＃＃

この論文は、今回の研究でショウジョウバエの脳全体を再構成して得られた接続マップが「コネクトーム」と呼ぶにふさわしい完成度を示していることを示しています。コネラブディティス・エレガンス (ニューロン 300 個、シナプス 10^4 未満) やショウジョウバエ 1 齢幼虫 (ニューロン 3,000 個、シナプス 5×10^5 個) と比較して、コネクトームは大幅に改善されています。 飛躍: コネクトームはショウジョウバエの脳の半分を超えるだけではありません量的には、味覚と機械的知覚にとって非常に重要なショウジョウバエの中枢脳の食道下ゾーン (SEZ) もカバーしており、さらに、コネクトームはショウジョウバエの脳から運動ニューロンを駆動するプロセスもカバーしています。

下の図は、ニューロンのカテゴリーを示しています。図 (a) は、ショウジョウバエの脳内のニューロンを「流れ」によって分類したものです: 内因性、求心性、遠心性。各フロー クラスは、場所と機能に基づいてさらに「スーパークラス」に分割されます。最初に公開された複眼には、半球の約 8,000 個の網膜細胞と 4 つの小さな眼球 (斜線のバーで示されている部分) が欠けていました。 (b) これらのニューロンの注釈を使用して、研究ではショウジョウバエの脳内のスーパークラス間の集合的なシナプス マップを作成しました。 (c) 各スーパークラスのすべてのニューロンのレンダリング。 (d) 眼神経と頸部結合組織 (CV) に加えて、各半球には 8 本の神経があります。神経を横切るすべてのニューロンが再構築され、説明されます。 (e) 感覚ニューロンは、感覚様式に対する反応に基づいて細分化できます。 FlyWire では、ほぼすべての感覚ニューロンがモダリティごとに分類されています。 (f) すべての非視覚感覚ニューロンのレンダリング。

##写真

次の写真は、視覚情報の処理を担当するショウジョウバエの脳の図です:

写真

下の写真は、ショウジョウバエの中枢脳を通る情報の流れを示しています。

写真

これまで検証された最大の細胞型コレクション

FlyWire コネクトームは、これまでに得られた中で最大かつ最も複雑なコネクトームです。別の論文「複数のコネクトームからのコンセンサス細胞型アトラスは、回路の常同性と変動の原理を明らかにする」という論文で、研究チームは、この規模のコネクトームをさらに説明するためにいくつかの重要な質問を提起し、それに答えています。 1) どのエッジが重要かを知るにはどうすればよいですか?

2) 自動または手動分析を支援するためにコネクトーム図を簡略化するにはどうすればよいですか?

3) このコネクトームはどの程度まで単一の脳のスナップショット、または種全体を代表するものなのでしょうか?

写真

紙のリンク: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546055v1。 full.pdf

これらの質問は、データ セット内およびデータ セット全体でのコネクトーム アノテーションと細胞型の識別に密接に関連しています。

最も基本的なレベルでは、包括的な注釈システムがなければ、このコネクトームをナビゲートすることは非常に困難になります。そのため、この論文に対するチームの注釈は、人間が読める部分のインデックス付きの階層リストを提供し、生物学者が興味のあるシステムやニューロンを探索できるようにします。

Connectome アノテーションは、修正が必要なセグメンテーション エラーを必然的に明らかにするため、データ品質を確保するためにも重要です。さらに、ショウジョウバエには、さまざまな先天的および後天的行動の回路基盤、およびその発生遺伝的起源を探索してきた豊かな歴史があり、データセットの可能性を最大限に引き出すには、コネクトーム内の細胞型を相互識別することによってのみ可能になります。出版済みおよび進行中の文献の特性評価で以前に特定されたものと一致します。

部分的な半脳コネクトームとの比較により、ほとんどのハエ細胞タイプは高度に定型化されており、単純に定義された一般的なヒューリスティックコネクトーム内の接続は信頼性が高く、機能的性的である可能性が高いことが確認されています。しかし、これは一部の細胞型における予期せぬ変化も明らかにし、最初に半脳で報告された多くの細胞型を確実に再同定できないことを示した。この発見により、コネクトミクス データ セット全体で細胞タイプを定義するための新しく強力な方法を開発して適用する必要性が生じました。

この研究では、研究者らは、ハエの脳内のすべてのニューロンについて、さまざまな粒度レベル (スーパークラス、細胞クラス、系統クラスなど) で人間が判読できるデータを生成しました。

研究者らが提供した4,179種類の細胞のマップは、これまでで最大ではない(脳の半分に5,620個あり、マウスの脳に関する最近の研究では5,000個もの分子クラスターが提供された) 。ただし、これはある意味で、これまでに収集された検証済みの細胞タイプのコレクションとしては最大のものです。

細胞型は、動物内および動物間の生物学的多様性に関する証明可能な仮説です。 C. elegans では、最初のコネクトームから推定された 118 の細胞型が、その後のコネクトームと分子データの分析によって明確に裏付けられています。一部の哺乳類では、100 種類の細胞のカタログを作成することが可能であり、網膜や運動皮質などのマルチモーダル データで検証されています。

しかし、大規模な分子マップからは非常に有益な階層構造が得られますが、個人間の最も細かい単位である末端細胞の種類を正確に定義する試みは行われていません。研究者らは、この反証可能な細胞型仮説を 5,000 以上の細胞型に対して初めて検証し、3 つの半球のコネクトーム データにある約 3,166 個の細胞型を確認または修正しました。

コネクトーム データは、細胞タイプの描写に特に意味があることは注目に値します。コネクトーム データ自体は (形態学と接続性を提供することにより) マルチモーダルであり、脳内のすべての細胞を確認できます。 （誠実さ）。この厳格なテストに合格した細胞タイプは、(永久に) 改変される可能性は非常に低いです。この理解に基づいて、FlyWire データセットのわずか 2 つの半球内で定義された追加の 850 のセル タイプも正確かつ永続的である必要があります。研究者らは、コネクトームデータが細胞型のゴールドスタンダードになると信じている。したがって、分子細胞タイプとコネクトーム細胞タイプを結び付けることが鍵となります。

人々は、脳の細胞型の半分の 3 分の 1 以上が FlyWire でまだ識別されていないことに少し驚いたり、がっかりしたりするかもしれません。研究者らは、ほとんどの細胞は識別可能であることを繰り返し述べており、彼ら自身や他者の努力を通じて、現在のプラットフォームやツールを段階的に改良し続けることを期待している。

それにもかかわらず、現在の結果はいくつかの重要な問題を明らかにしています: まず、単一の脳半球からのデータを使用して特定された細胞型の多くは修正する必要があります; 第 2 に、新しい多重接続性成分タイピング法 (図 6) は、この問題に対する強力かつ効率的なアプローチを提供します。第三に、成虫のハエにおける継続的な変動の例は、多くの場合、哺乳動物の細胞型に関連しており、研究者は以前は不可能だった方法を実行するためのツールとデータも手に入れています。 . この変動を処理する精度。

脳細胞タイピング

全体として、この研究は現在および予想されるものに関する詳細な研究のための基礎を築きました。正常なハエのコネクトームは、性的二型、経験依存の可塑性、全脳スケールの発達、疾患に関する将来の研究も促進する可能性がある。

以上が13万個の注釈付きニューロンと5,300万個のシナプスを備えた初の完全な「成虫のハエ」脳コネクトームをプリンストン大学などが発表の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。