[논문 리뷰] Neural signal propagation atlas of C. elegans

Francesco Randi, Anuj Kumar Sharma외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 09.

Genetics, Aging, and Longevity in Model Organisms인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 23,427개의 뉴런 쌍에 걸쳐 광유도 자극과 전뇌 칼슘 영상 촬영을 융합하여 C. elegans의 머리에서 신호 전파의 종합적인 功能적 아틀라스를 구축한다. 이를 통해 해부학적 예측이 불가능한 밀리초 이내의 시간스케일에서 광범위한 시냅스 외 펩타이드 신호전달, 특히 희소막대세포 소포를 통한 전달이 발견되며, 이는 시냅스 및 시냅스 외 메커니즘이 모두 신속한 신경 동역학을 이끄는 것으로 드러나, 해부학적 연결망만으로는 예측할 수 없는 자발적 활동을 훨씬 더 잘 예측함을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 뉴런 쌍 간의 인과적 유도 반응을 측정하여 C. elegans 머리에서 고해상도 기능적 아틀라스를 구축하는 것.
• 해부학적 연결성만으로도 기능적 신호 전파를 예측할 수 있는지, 특히 신호의 부호, 강도, 시기 측면에서 테스트하는 것.
• 특히 희소막대세포 소포를 통한 펩타이드 방출에 의해 매개되는 시냅스 외 신호전달의 기능적 연결성 형성에 기여하는 역할을 조사하는 것.
• 측정된 기능적 연결성이 해부학적 연결망보다 자발적 뉴런 활동을 더 잘 예측할 수 있는지 평가하는 것.
• 희소막대세포 소포 방출을 방해하는 유전자 변종(예: unc-31)을 사용하여 순수하게 시냅스 외의 신호전달 경로를 식별하고 검증하는 것.

제안 방법

• C. elegans 페미닌에서 ChR2를 사용하여 개별 뉴런을 광유도 자극하여 통제된 뉴런 활동을 유도하는 것.
• 전뇌 칼슘 영상 촬영을 동시에 수행하여 GCaMP6를 사용해 머리 신경계 전반의 후속 뉴런 반응을 기록하는 것.
• 핵심 기반 컨볼루션 모델을 사용해 신호 전파를 정량적으로 분석하여 시간적 반응 프로파일을 추출하고 연결 강도 및 부호를 유추하는 것.
• unc-31 돌연변이를 사용하여 희소막대세포 소포 매개 시냅스 외 신호전달의 기여도를 분리하는 것.
• 반응 진폭, 도함수, 유의성(q-값)을 기반으로 기능적 연결을 통계적으로 분류하여 잡음과 진짜 반응을 구분하는 것.
• 직접 시냅스 연결이 없는 뉴런 쌍에서 펩타이드 및 그 GPCR의 공발 발현을 통해 순수하게 시냅스 외 연결 경로 후보를 식별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 해부학적 연결성이 C. elegans 머리에서 기능적 신호 전파를 어느 정도 예측할 수 있는가?
• RQ2 시냅스 외, 펩타이드 매개 신호전달이 신속한 신경 동역학에 기여하는 정도는 어떠하며, 시냅스 전달과는 어떻게 다를까?
• RQ3 희소막대세포 소포 방출을 방해하는 돌연변이(예: unc-31)는 직접 시냅스 연결이 없는 뉴런 쌍에서 기능적 연결성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 측정된 기능적 연결성이 해부학적 연결망보다 자발적 뉴런 활동 패턴을 더 잘 예측할 수 있는가?
• RQ5 다양한 뉴런 쌍 간의 전파 시간 동역학과 일관성은 어떻게 변화하며, 연결 유형에 따라 어떻게 다를까?

주요 결과

• 23,427개의 뉴런 쌍 중에서 1,348개가 유의미한 기능적 연결을 보였으며, 이 중 72%는 해부학적으로 예측되지 않았다.
• 희소막대세포 소포 기능이 없는 돌연변이(unc-31)에서는 기능적 연결이 30% 감소하여 시냅스 외 펩타이드 신호전달의 주요 역할을 확인했다.
• 128개의 순수하게 시냅스 외 연결 후보 쌍에서, 유전자형에서는 기능적 반응이 유지되었지만 unc-31 돌연변이에서는 기능이 상실되어 펩타이드 의존성 확인.
• 많은 경우에서 밀리초 이내의 시간스케일(핵심 상승 시간 평균: 120 ms)로 전파가 발생하여 시냅스 외 방출에 의한 빠른 신호 조절이 가능함을 시사.
• 기능적 연결성이 해부학적 연결망보다 자발적 뉴런 활동 패턴을 훨씬 더 잘 예측함(모델 적합도에서 R² 향상 0.15).
• 일부 연결 유형에서는 높은 핵심 일관성(실험 간 평균 상관계수 r = 0.82)을 보이며 신뢰할 수 있고 반복 가능한 신호 전달이 이루어짐.