Neural mechanisms that dynamically optimize odor representation in the Drosophila olfactory ciruit

动态优化果蝇嗅觉回路中气味表征的神经机制

• 批准号: 21K06401
• 负责人: 遠藤 啓太
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Institute of Physical and Chemical Research
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K06401/
• 关键词: 感覚情報処理; カルシウムイメージング; キイロショウジョウバエ; キノコ体; 脳内表象の最適化; コネクトーム; 抑制性相互結合; 主成分分析; 抑制性フィードバック; 嗅覚; 符号化

キイロショウジョウバエ（ハエ）の嗅覚二次中枢「キノコ体」では、主要介在神経細胞である約2,000個のKenyon cells (KCs) が、匂いの刺激をその種類や頻度などの統計情報に基づいてダイナミックに符号化することで、神経細胞集団全体として最適な脳内表象を生み出していると考えられる。その情報処理と神経回路機構を明らかにするために、複数の匂いを繰り返しハエに与えたときのKCsの匂い応答の変化を、二光子励起レーザー顕微鏡を用いたカルシウムイメージングによって解析した。この結果、個々のKCsの応答は刺激の繰り返しによって変化するにもかかわらず、KCs全体の脳内表象における異なる匂い間の相対的な関係は維持されることを見出した。このような脳内表象の安定化にはGABA作動性の抑制性神経細胞を介したグローバルな抑制性フィードバックが関わっていると考え、抑制性神経細胞の働きを阻害したときのKCs全体の脳内表象の変化を解析したところ、刺激の繰り返しによるKCsの応答変化が減少することがわかった。したがって、KCsの応答変化は抑制性フィードバックの働きによってむしろ積極的に作り出されていることが示唆された。抑制性フィードバックがKCの応答変化と脳内表象の安定を両立させる神経回路機構の手掛かりを得るために、ハエの脳の電子顕微鏡画像を元に作られたコネクトームデータを利用して、抑制性神経細胞と2,000個のKCs間のシナプス結合を全て同定し、抑制性神経細胞を介したKCs間の相互結合を定量的に解析した。この結果、似た匂いの情報を受け取るKCs同士は、異なる匂いの情報を受け取るKCs同士よりも、より多くの抑制性相互結合を持つことがわかった。したがって、一部のKCsの神経応答が変化しても、似た匂いの情報を受け取るKCsがその応答を補完することで、全体の匂い表象が維持されている可能性が示唆された。

在果蝇的次生嗅觉中心（苍蝇），大约2,000个肯尼恩细胞（KCS），主要的中间神经元细胞，基于统计信息（例如它们的类型和频率）动态编码气味刺激，从而为整个神经元人群创造最佳的大脑表征。为了阐明信息处理和神经回路机制，使用两光子激发激光显微镜通过钙成像分析KCS的气味反应的变化。这一发现，尽管单个KC的响应随反复的刺激而变化，但保持整个KC的大脑表示中不同气味之间的相对关系。我们认为，通过GABA能抑制性神经元的全局抑制反馈参与稳定大脑表示，当我们分析抑制抑制性神经元抑制性神经元的整个KCS的大脑表示变化时，我们发现由于反复刺激而对KC的反应的变化减少了。因此，有人提出，KC的响应变化是通过抑制反馈的作用更积极地产生的。为了获得允许抑制反馈以平衡KC响应变化和脑表示的稳定性的神经回路机制的线索，我们使用了基于飞脑的电子显微镜图像创建的Connectome数据来识别抑制性神经元和2,000 kC之间的所有突触连接，并定量分析KC通过抑制性神经元之间的相互分析。结果，发现收到相似气味信息的KCS比接收不同气味信息的KC具有更多的抑制性相互键。因此，有人建议，即使某些KC的神经反应发生了变化，接收类似气味信息的KC也补充了响应，从而保留了整体气味表示。