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昆虫の嗅覚中枢には並列的な情報処理経路がある

行動神経生物学系の水波誠教授らの研究チームは、昆虫の嗅覚中枢の基本構成に関する新たな知見を見出し、神経科学分野のトップジャーナルの1つであるThe Journal of Neuroscience誌に発表しました。以下、水波教授による解説です。

 

私たちには無数の種類の匂いを識別し、記憶する能力があります。多くの動物も同様な能力を持ちます。そのしくみはどのようになっているのでしょうか? 昆虫は嗅覚がよく発達しており、動物の匂い情報処理のしくみを調べる研究材料として用いられています。昆虫の匂い受容ニューロンは触角にあり、受容ニューロンで受容された匂い情報は脳の触角葉(一次嗅覚中枢)で処理されたのち、高次中枢(キノコ体、注1)に伝えられます。ワモンゴキブリでは、触角の受容ニューロンは受容する匂いの種類の違いによって大きく2つのタイプに分けられ、異なるタイプの受容ニューロンの軸索は、触角葉の異なる領域に投射します。また2つのタイプの受容ニューロンに由来する情報は、さらにキノコ体の別々の領域に伝えられますが、キノコ体でそれらの匂いがどのように処理されるかはわかっていませんでした。

当学科出身で大学院生命科学院博士後期課程(当時)の高橋直美博士、電子科学研究所の西野浩史助教、理学研究院の水波誠教授らのグループは、ワモンゴキブリの脳のキノコ体に投射する4本の抑制性ニューロンに着目し、それらのニューロンとキノコ体の出力ニューロンの活動をガラス管微小電極を用いて同時に記録して、ニューロン間のシナプス(注2)接続について調べました。記録後にニューロンに色素を注入し、ニューロンの枝に接触があるかを確認しました(図)。

ワモンゴキブリの脳のキノコ体の傘(入力部)に投射する抑制性ニューロン(紫)とキノコ体出力ニューロン(緑)の同時染色像。抑制性ニューロンはキノコ体出力ニューロンと接触してシナプス入力を受ける。抑制性ニューロンはキノコ体の入力部でキノコ体内在ニューロンにシナプス出力して内在ニューロンの活動を抑制し、内在ニューロンは出力ニューロンにシナプス出力する。それらの過程を経て、抑制性ニューロンはキノコ体出力ニューロンの匂い応答の強度を適正な範囲に保つフィードバックの役割を果たす。

 

本研究の結果、キノコ体に投射する抑制性ニューロンがキノコ体出力ニューロンからシナプスを受けること、またこの抑制性ニューロンがキノコ体の出力ニューロンの匂い応答の強度を調節するフィードバック経路を担っていることがわかりました。さらにキノコ体のフィードバック経路には、匂い受容ニューロンのタイプの違いに由来する2つの並列的な経路があること、また2つの経路の間には相互作用があることが分かりました。これは、動物の嗅覚系において受容ニューロンから高次中枢に至るまで一貫して並列的な情報処理経路が保たれていることを初めて明らかにした研究で、ヒトなど哺乳類の脳の嗅覚情報処理系の基本構築の理解にもヒントを与える成果と言えます。

今後は、ワモンゴキブリのキノコ体における並列経路間の相互作用にどのような機能的な意味があるかの解明が待たれます。さらに、ヒトを含めた哺乳類の脳の嗅覚情報処理系においても同様な並列的な経路があるのかについて、今後の研究が待たれます。

 

注1:キノコ体 … 昆虫の脳にある2次嗅覚中枢。匂いと味や視覚などの感覚情報を統合し記憶する連合記憶中枢としても働く。ゴキブリのような夜行性昆虫やミツバチのような社会性昆虫で特に発達している。

注2:シナプス … 神経細胞(ニューロン)の間に形成される、信号伝達のための接合部。シナプスにおいては、信号の出し手の細胞が神経伝達物質を分泌し、信号の受け手の細胞の受容体にそれが結合することによって信号の伝達が行われる。

 

※関連動画:https://www.youtube.com/watch?v=Zl4zBE9boOk

 

発表論文: Takahashi N., Nishino H., Domae M., and Mizunami M. (2019). Separate but interactive parallel olfactory processing streams governed by different types of GABAergic feedback neurons in the mushroom body of a basal insect. The Journal of Neurosciencehttps://www.jneurosci.org/content/early/2019/09/23/JNEUROSCI.0088-19.2019

 

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