ショウジョウバエの再帰的回路からのヒュー選択性

果蝇視覚系における色相選択性の回路メカニズム

色の知覚は視覚体験の重要な側面であり、生物個体と外界環境の相互作用において重要な役割を果たしています。ヒトなどの3種類の感光細胞型の霊長類動物では、視皮質に特定の色相(青、青緑、オレンジ色など)および非スペクトル色(紫やマゼンタなど)に選択的に反応する神経細胞が存在することが発見されています。しかし、この色相選択性応答の神経回路基盤は長らく明らかにされていませんでした。

最新号の『Nature Neuroscience』誌に掲載された研究では、コロンビア大学のRudy Behnia研究室が、遺伝的操作が容易なモデル生物であるショウジョウバエを利用して、その視覚系に色相選択性神経細胞が存在することを発見し、この色相選択性応答を生み出す神経回路メカニズムを明らかにしました。この研究結果は、色の知覚の神経基盤を深く理解する上で新たな見解を提供しています。

研究者は、まず2光子カルシウムイメージング技術を用いて、ショウジョウバエの視覚系のいくつかの重要な神経細胞が、様々なスペクトルおよび非スペクトル色の光刺激に対してどのように応答するかを測定しました。彼らは、色情報を伝達する介在投射神経細胞(TM神経細胞)tm5a、tm5b、tm5cが特定の色相に対して高い選択性を示す応答を示すことを発見しました。これは霊長類の視皮質の色相選択性神経細胞に似ています。

この色相選択性応答を生み出す神経回路メカニズムを明らかにするために、研究者はショウジョウバエの全脳電子顕微鏡再構築データを利用してこれらのTM神経細胞の結合パターンを追跡しました。再構築結果に基づいて、彼らは結合構造によって制約された神経回路モデルを構築し、実験で測定されたTM神経細胞の応答パターンを正確に再現することができました。

驚くべきことに、TM神経細胞は視覚入力である光受容体からわずか1~2シナプス離れているにもかかわらず、モデルによると両者の間に広範な回路接続が存在することが予測されました。この回路接続を実験とモデルの両方で破壊したところ、回路接続が色相選択性応答を生成するために不可欠であり、単一神経細胞内の非線形統合は必須ではないことが分かりました。

この研究は、視覚知覚における色情報処理の神経メカニズムに新たな洞察を与え、生物の視覚系が回路接続によって非線形計算を実現する一つのメカニズムを明らかにしました。ショウジョウバエは無脊椎動物であり、その視覚系は霊長類と大きく異なるものの、この発見は色相計算が異なる動物の脳においてある程度保存されている可能性を示唆しています。

この研究は視覚知覚の神経基盤の研究に貢献するだけでなく、脳の計算の一般原理を理解する上でも新たな認識をもたらしています。今後の課題として、これらの色相選択性神経細胞とショウジョウバエの行動との関連性、および他の種における類似の神経メカニズムの存在とその役割をさらに探求することができるでしょう。