理研、ハエの神経活動から匂いの好き嫌いを解読する数理モデルの作成に成功

理化学研究所(理研)は6月17日、ショウジョウバエ嗅覚回路の神経活動の記録、解読に成功し、匂いの好き嫌いを決める脳内メカニズムを解明したと発表した。

同成果は、理研脳科学総合研究センター知覚神経回路機構研究チーム 風間北斗チームリーダーらの研究グループによるもので、6月16日付けの米国科学誌「Neuron」オンライン版に掲載された。

動物にとって、食べ物の匂いを快いと感じたり、腐敗物や捕食者の匂いを不快と認識したりすることは、生存のために重要であるといえる。しかし、こういった匂いの好き嫌いが脳のどのような情報処理によって決定されるかについては、これまで解明されていなかった。

今回、同研究グループは、哺乳類よりもはるかに少数の神経細胞で、哺乳類と類似した機能を発揮するショウジョウバエ成虫(ハエ)の嗅覚回路に着目。ハエの行動に応じて匂いや景色が変化する"仮想空間"を構築し、その中で飛行するハエの匂いに対する応答について解析した。

仮想空間では、ハエの背中がピンで固定されており、ハエが旋回しようと羽ばたくことで匂い空間(嗅覚刺激と接触する空間)の内と外を自由に行き来できるようになっており、このときのハエの羽ばたきの音データに応じて、匂い(嗅覚刺激)と景色(視覚刺激)が変わるよう設計されている。ハエが匂い空間の中を飛行する時間が長ければその匂いを好む、すぐに旋回して匂い空間の外に逃げれば嫌うと解釈できる。

この結果、ハエは84種類の多様な匂いに対して誘引から忌避までさまざまな反応を示し、嗅覚刺激と接触してから約0.2秒で行動を選択していることがわかった。

また、同研究グループは、嗅覚情報を処理する「触角葉」という脳の領域について調べた。触角葉は約50個の糸球体という球状構造で構成されているが、レーザー顕微鏡を用いたカルシウムイメージングで、ほぼすべての糸球体からそれぞれの活動を同時に記録することに成功。これらが匂いに対してどのように応答するかを明らかにした。

さらに、以上のデータを組み合わせることで、糸球体群の活動からハエの匂いの嗜好を定量的に解読する数理モデルを作成。この結果、各糸球体は固有の割合(重み)で誘引もしくは忌避に貢献することがわかった。また、ハエの行動は、各糸球体の活動を変換、重み付けした後、すべてを足し合わせることで説明できたという。なお、同数理モデルは、新しく与えられた匂いの混合物や濃度の異なる匂いに対する行動を予測できるものであることもわかった。

嗅覚回路の機能やその基本的な配線図は、ハエからヒトまで共通であることから、同研究グループは、同成果について、匂いの好き嫌いを決める普遍的な脳内メカニズムの理解につながることが期待できると説明している。