シンクロトロンX線トモグラフィーに基づく軟体動物の脳の機能的マッピング

2025-02-28 Fri
学術的背景神経科学分野では、神経回路がどのように複雑な行動を生成し制御するかを理解することを目指してきました。単純なモデル生物（軟体動物、甲殻類、環形動物など）は、アクセス可能な神経系と大型の特徴的なニューロンを持つため貴重なモデルを提供してきましたが、多くの場合、神経回路の理解は詳細な脳地図の欠如によって制限されています。特に軟体動物については、その脳は形態的に一貫性があり機能的に研究可能なニューロンで構成されていますが、神経系内のニューロン総数や組織原則、詳細なニューロンレベルの地図は依然として不明です。これらの問題は、神経回路機能の体系的な研究を制限しています。
この課題を解決するために、本研究ではLymnaea stagnalis（古典的な軟体動物モデル）の脳に対してシンクロトロンX線断層撮影技術（Synchrotron X-ray Tomography, SXRT）を利用し、高解像度イメージングを行い、摂食回路の詳細な3D地図を構築しました。また、この地図に基づいて重要なニューロンタイプの識別と機能特性を明らかにしました。この研究は、軟体動物の神経回路に関する新しい知見を提供するだけでなく、他のモデル生物の中枢神経系（CNS）地図作成に応用可能な方法論を示しています。
論文の出典この研究は、Michael Crossley、Anna Simon、Shashidhara Marathe、Christoph Rau、Arnd Roth、Vincenzo Marra、Kevin Starasらにより共同で行われました。研究チームは英国サセックス大学（University of Sussex）、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン（University College London）、英国国立シンクロトロン放射光施設（Diamond Light Source）に所属しています。論文は2025年2月27日にPNAS（『米国科学アカデミー紀要』）に掲載され、タイトルは“Functional mapping of the molluscan brain guided by synchrotron x-ray tomography”です。
研究プロセス1. シンクロトロンX線断層撮影研究チームはまず、成体のLymnaea stagnalisから完全な脳を取り出し、それを樹脂に固定しました。その後、サンプルを英国国立シンクロトロン放射光施設に送り、I13-2ビームラインを使用してX線断層撮影を行いました。この方法により、研究チームは全CNSの三次元画像スタックを取得し、個々のニューロンの細胞体および主要な神経束の配置を十分な解像度で可視化できました。
2. 三次元再構成とニューロンのラベル付けLymnaeaの脳の三次元構造を明らかにするため、研究チームは代表的なサンプルを選んで画像分割を行い、11の独立した神経節とその主要な神経束をラベル付けしました。次に、摂食回路があるbuccal ganglia（頬神経節）に焦点を当て、半自動分割技術を使って細胞体をラベル付けし、頬神経節の完全な三次元モデルを構築しました。この詳細なラベル付けにより、頬神経節中のニューロン総数を正確に推定でき、1,099個のニューロンが含まれていることがわかりました。これは以前の推定値より三倍多い数字です。
3. ニューロンの機能特性構築された三次元地図に基づき、研究チームは重要なニューロンの機能特性を明らかにしました。細胞内記録と蛍光色素による充填を通じて、以下の3つの主要なニューロンタイプを特定し、特性評価しました。
- Dine：頬神経節内部に位置するコマンド様ニューロンで、脳内の摂食コマンドセンターを活性化することで摂食行動を駆動できます。
- N2M：頬神経節腹側に位置する双極性ニューロンで、摂食中枢パターン発生（CPG）において重要な役割を果たし、電気結合によって運動ニューロンの活動を調節します。
- B12：頬神経節後側に位置する運動ニューロンで、摂食行動中には活性化されますが、排出行動中には抑制されます。
4. 機能的CNS地図の構築研究チームはSXRT画像と電気生理学データを活用し、LymnaeaのCNS機能地図を作成し、36種類の主要な摂食回路ニューロンの位置、形態、機能特性をラベル付けしました。この地図は研究コミュニティにとって拡張可能なリソースであり、特定のニューロンタイプをより正確に識別・記録するのに役立ちます。
主な結果ニューロン総数と組織構造：研究では、頬神経節には1,099個のニューロンが含まれており、これは以前の推定値よりも三倍多いことがわかりました。さらに、ニューロンの体積と神経節内の位置との関係が明らかになりました。大きな細胞体は神経節の背側表面に傾向があり、小さな細胞体は神経節内部にあり、深くなるにつれて細胞体の体積が徐々に減少することが判明しました。
Dineニューロンの機能：Dineニューロンはコマンド様ニューロンとして特定され、脳内の摂食コマンドセンターを活性化することで摂食行動を駆動できることがわかりました。Dineニューロンは感覚入力と密接に関連しており、食物を検出した際に摂食回路を開始します。
N2Mニューロンの機能：N2Mニューロンは摂食CPGにおいて重要な役割を果たし、電気結合によって運動ニューロンの活動を調節します。また、N2Mニューロンのサブスレッショルド脱分極だけで運動ニューロンのスパイクを引き起こすことが可能であることも明らかになりました。
B12ニューロンの機能：B12ニューロンは摂食行動中には活性化されますが、排出行動中には抑制されます。この行動特異的な運動ニューロンの発見は、摂食回路における一部のニューロンタイプが異なる行動で異なる仕方でリクルートされることを示しています。
機能的CNS地図：研究チームはLymnaeaのCNS機能地図を構築し、36種類の主要な摂食回路ニューロンの位置、形態、機能特性をラベル付けしました。この地図は研究コミュニティにとって拡張可能なリソースであり、特定のニューロンタイプをより正確に識別・記録するのに役立ちます。
結論と意義本研究では、シンクロトロンX線断層撮影技術を利用してLymnaea stagnalis脳の三次元地図を成功裏に構築し、この地図に基づいて3つの主要なニューロンタイプを特定し特性評価しました。これらの発見は、摂食回路の機能に対する我々の理解を更新するだけでなく、他のモデル生物のCNS地図作成に応用可能な方法論を提供しました。さらに、明らかにされたニューロンの組織原則は、脳設計の進化を理解するための新しい洞察を提供しました。
研究のハイライト革新的なイメージング技術：本研究では、初めてシンクロトロンX線断層撮影技術を軟体動物の脳の三次元イメージングに適用し、大規模神経システムの細胞地図を迅速に構築する新方法を提供しました。
ニューロン総数の修正：研究では、頬神経節には1,099個のニューロンが含まれていることがわかり、これは以前の推定値より三倍多く、これらの構造の複雑さが大幅に過小評価されていたことを示しています。
主要なニューロンの特定：研究では、コマンド様ニューロンDine、CPG介在ニューロンN2M、行動特異的運動ニューロンB12の3つの主要なニューロンタイプを特定し特性評価し、摂食回路に関する我々の理解を更新しました。
機能的CNS地図の構築：研究チームはLymnaeaのCNS機能地図を構築し、特定のニューロンタイプをより正確に識別・記録するのに役立つ拡張可能なリソースを研究コミュニティに提供しました。
その他の有益な情報研究チームは、WebKnossosプラットフォームに基づく画像共有システムを開発し、研究者が三次元画像スタックを迅速に閲覧・注釈を付けることを可能にし、脳地図の共有と比較研究をさらに促進しました。さらに、明らかにされたニューロンの組織原則は、脳設計の進化を理解するための新しい洞察を提供し、ニューロンの体積と神経節内の位置との関係が配線長と脳体積を最小化する操作上の利点を持つ可能性があることを示唆しています。