ハエの神経配線が本当に決めていること

科学者たちは今、成虫のショウジョウバエの神経索について、シナプス一つひとつのレベルの完全な配線図を手にしている。オスのもの(MANC)、メスのもの、そしてオスの中枢神経系全体のもの(MaleCNS)だ。これらのコネクトーム(神経接続の全体図)に基づくシミュレーションは、すでに感覚応答や、歩行のように見える脚のリズミカルな活動を再現している。

しかし、歩くモデルができたからといって、その正確な配線が重要だということにはならない。相互につながったユニットのネットワークは簡単に振動するし、各ニューロンがいくつの接続をもつかといった大まかな統計だけで、その振る舞いのかなりの部分が決まってしまう。香港科技大学のイザベル・グアン(Isabel Guan)と、香港理工大学、南洋理工大学、企業ZENBOTの共同研究者は、脚の運動のどの特徴が本当に特定の配線に依存しているのかを確かめようとした。

本物の配線とでたらめなコピーの対決

チームは独立した2つのコネクトームから脚の運動系のモデルを作った。MaleCNSは10,173個のニューロンと462,650本の接続、MANCは10,440個のニューロンと634,207本の接続をもつ。接続の強さは単純にシナプスの数とし、学習は一切させなかった。入力は、活性化すると前進歩行を開始させる2個の下行ニューロンDNg100だけから与えた。出力は、各脚の4つの関節ごとに伸筋プールと屈筋プールにまとめた運動ニューロンから読み取った。拮抗するペアは計20組である。

それぞれの本物のネットワークを、6つの系統に分かれた30通りのでたらめなネットワークと比べた。各系統は本物の構造をより多く保っている。接続の数、細胞タイプ間の接続、各ニューロンの入力と出力の数、そして脚ごとまたは発生系譜ごとのブロックだ。判定基準は結果を見る前に記録された。著者らは、これはコネクトームのモデル化ではまれな慣行だと述べている。また、シミュレーションをやり直すと、コネクトームごとに4,692件の記録すべてが丸め誤差の範囲で再現された。

リズムは安く、協調は高くつく

リズムはありふれている。 でたらめなネットワークの多くは本物と同じくらいよく振動し、なかにはもっとよく振動するものもあった。パラメータの走査では、本物の0.70に対して最大0.96に達した。
交互の動きは特異的だ。 本物の配線は、どのでたらめなネットワークよりも強く、拮抗するプールを交互に働かせた。スコアはMaleCNSで0.312(でたらめな版は最大0.147)、MANCで0.173(同じく最大0.084)だった。
この効果は、調べた脚の4つの関節のうち最初の関節である胸部–基節関節に集中している。MaleCNSでは、最も長いシミュレーションの5分間ずっと、協調した状態が保たれた。

1世紀以上前の原理

なぜだろうか。1世紀以上前、C・S・シェリントン(C. S. Sherrington)は相反神経支配を提唱した。ある筋肉を興奮させる経路は、その拮抗筋を抑制するというものだ。チームは、各ニューロンがすべてのペアの2つのプールにどう影響するかを測定した。2つの本物のコネクトームではどちらも、相反神経支配の指数がはっきりと正の値を示し(0.48と0.38)、でたらめなネットワークではすべて負の値だった。ニューロンが両方のプールに及ぼす影響のうち、88%(MaleCNS)と83%(MANC)が両者を逆方向に押している。でたらめにした後は16〜49%だった。この仕組みには2通りある。一方のプールを興奮させ、抑制性の介在ニューロンを介してもう一方を黙らせる興奮性ニューロン。そして、一方のプールを黙らせ、もう一方を解放する抑制性ニューロンだ。

決定的な試験では、運動前ニューロンからの入力を一方のプールからその拮抗プールへと移した。各運動ニューロンが受ける入力の総量は2〜4%しか変えていない。すると協調は崩壊した。MaleCNSではスコアが約−0.08に落ちた。つまり拮抗するプールが今度は同時に発火したのだ。一方、対照としてプール内で入れ替えた場合は、スコアの90%近くが保たれた。

限界

これはモデルでの結果であって、動物での結果ではない。体はなく、感覚フィードバックもなく、ニューロンのモデルは1種類だけで、伝達物質の符号は予測に基づく。さらにグルタミン酸を抑制性として扱っている。以前の計算でグルタミン酸を興奮性として扱ったときには、本物の配線の優位性は消えてしまった。運動ニューロンの関節への割り当ての約4分の1は近似的なものであり、MANCではより小さな差で結果が再現された。著者らはまた、コードの作成と文章の下書きに、AnthropicのClaudeを含むAIアシスタントを使ったと記している。

神経系をモデル化するすべての人への彼らの教訓は、配線はリズムではなく協調で試せ、というものだ。でたらめなネットワークでも、同じくらい上手に拍子を刻めるのだから。