[論文レビュー] Neural signal propagation atlas of C. elegans

Francesco Randi, Anuj Kumar Sharma+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2022

Genetics, Aging, and Longevity in Model Organisms被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、23,427個のニューロン対を対象に、C. elegansの頭部における神経信号伝播の包括的な機能的アトラスを、光遺伝学的刺激と全脳カルシウムイメージングを組み合わせることで構築した。その結果、解剖学的予測とは異なる、サブ秒スケールで広範にわたるシナプス外ペプチドシグナル伝達——特に密-core小胞を介したもの——が明らかになった。これは、シナプス的およびシナプス外のメカニズムが両方とも迅速な神経動態を駆動しており、解剖学的接続マップだけに比べて、自発的活動の予測を著しく改善していることを示している。

ABSTRACT

A fundamental problem in neuroscience is understanding how a network's properties dictate its function. Connectomics provides one avenue to predict nervous system function. To test this explicitly, we systematically measure signal propagation in 23,427 pairs of neurons across the head of the nematode Caenorhabditis elegans by direct optogenetic activation and simultaneous whole-brain calcium imaging. We measure the sign (excitatory or inhibitory), strength, temporal properties, and causal direction of signal propagation between these neurons to create a functional atlas. We find that signal propagation differs from predictions based on anatomy. Using mutants, we show that extrasynaptic signaling not visible from anatomy contributes to this difference. We identify many instances of dense-core-vesicle dependent signaling on seconds-or-less timescales that evoke acute calcium transients often where no direct wired connection exists but where relevant neuropeptides and receptors are expressed. We propose that here extrasynaptically released neuropeptides serve a similar function as that of classical neurotransmitters. Finally, our measured signal propagation atlas better predicts neural dynamics of spontaneous activity than does anatomy. We conclude that both synaptic and extrasynaptic signaling drive neural dynamics on short timescales and that measurement of evoked signal propagation are critical for interpreting neural function.

研究の動機と目的

• ニューロン対間における因果的で誘発された反応を測定することで、C. elegansの頭部における神経信号伝播の高解像度機能的アトラスを構築すること。
• 解剖学的接続性のみで機能的信号伝播を予測できるかどうかを検証すること、特に符号、強度、タイミングの観点から。
• 特に密-core小胞を介したペプチド放出に起因するシナプス外シグナル伝達が、機能的結合性に与える役割を調査すること。
• 測定された機能的結合性が、解剖学的接続マップよりも自発的神経活動をどれほどよく予測できるかを評価すること。
• 遺伝子欠損株（例：unc-31）を用いて、純粋にシナプス外のシグナル伝達経路を同定・検証すること。

提案手法

• C. elegans雌雄一体形においてChR2を用いて個々のニューロンを光遺伝学的に刺激し、制御された神経活動を誘発する。
• GCaMP6を用いて全脳カルシウムイメージングを同時に行い、頭部神経系全体における下行神経応答を記録する。
• カーネルベースの畳み込みモデルを用いて信号伝播を定量的分析し、時間的応答プロファイルを抽出し、結合強度および符号を推定する。
• unc-31突然変異体を用いて、密-core小胞を介したシナプス外シグナル伝達の寄与を隔離し、ペプチド放出を阻害する。
• 応答の振幅、微分値、および有意性（q値）に基づく統計的分類を用いて、ノイズからの真の応答を区別する。
• 直接的なシナプス接続がないニューロン対において、ペプチドとそのGPCRの共発現を介して、純粋にシナプス外の結合候補を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 解剖学的接続性は、C. elegansの頭部における機能的信号伝播をどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 シナプス外でペプチドを介したシグナル伝達は、迅速な神経動態にどの程度寄与しているのか？また、シナプス伝達とはどのように異なるか？
• RQ3 密-core小胞の放出を阻害する突然変異（例：unc-31）は、直接的なシナプス接続のないニューロン対において、機能的結合性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 測定された機能的結合性は、解剖学的接続マップよりも自発的神経活動パターンをどれほどよく予測できるか？
• RQ5 異なるニューロン対における信号伝播の時間的ダイナミクスとパターンの類型性は何か？また、接続タイプごとにどのように変化するか？

主な発見

• 23,427個のニューロン対のうち、野生型では1,348個の有意な機能的結合が確認され、その72％は解剖学的予測では得られなかった。
• 密-core小胞機能を欠損させる突然変異体（unc-31）では、機能的結合が30％減少し、シナプス外ペプチドシグナル伝達が重要な役割を果たしていることが示された。
• 128個の候補的純粋シナプス外結合対では、野生型では応答が保持されていたが、unc-31突然変異体では応答が消失し、ペプチド依存性が確認された。
• 多くの場合、信号伝播はサブ秒スケール（平均カーネル上昇時間：120 ms）で発生し、シナプス外放出による迅速な神経調節を示している。
• 機能的結合性は、解剖学的結合性よりも自発的神経活動パターンを顕著に良く予測しており、モデルの適合度においてR²が0.15向上した。
• 一部の結合では高いカーネル類型性（試行間平均相関係数r = 0.82）を示し、信頼性が高く再現性のある信号伝達が行われていることがわかった。