https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.18.955245v1.full
Abstract
マイクロ流体デバイスを使用して、Caenorhabditis elegansの小さな神経系を使用して、誘引性または忌避的であることが知られている化学的刺激に暴露する間、40を超えるニューロンの神経活動の変化を監視し、さまざまな化学感覚刺激に関連するニューラルネットワークアクテビティを定義しました。
特異的な化学刺激
- 忌避剤がネットワーク全体の平均神経活動を高めるきっかけとなる
- 塩味が神経の変動性を高める
一般的な化学刺激
- 対照的に、ニューロン間の相互作用のパターンをキャプチャするグラフ理論の機能は、神経活動の測定値よりも刺激同一性のデコードに適している
- グラフ理論機能・神経活動機能をもとにした、訓練された単純な機械学習分類器が、刺激の同一性を正確に予測できることを示します。
Memo
From: "Google Scholar アラート" scholaralerts-noreply@google.com
Date: Wed, Feb 26, 2020 at 8:16 AM +0900
ハエとマウスの両方の嗅覚・味覚情報は、組み合わせコーディングによる神経活動の空間パターンで"知覚"されていると考えられる[9–11]。
化学刺激の末梢・初期皮質領域でのエンコードの理解は進んでいるが、その処理と高次脳中枢における表現はあまり理解されていません。
線虫C. elegansは、化学的および電気的シナプス[12、13]によって接続されたちょうど302のニューロンからなる神経系(脳)を持つことがわかっており、ネットワークの大部分にわたる神経活動を記録するのに理想的である
これまでのC. elegansの全脳イメージングデータ分析例、主成分分析（PCA）
- 神経活動が低次元空間にある[22–24]
- 前進、逆転、回転などの移動コマンドを表す可能性があるいくつかのグローバルな状態で存在する可能性[23]
- 睡眠や飢餓などの生理学的および行動状態に関連する低次元の神経活動パターン[25]
問題点
- ニューロンのラベリング；ニューロンが個体間で一意に識別できるようにニューロンのラベルを持つことが必要。ほとんどのモデルシステム（たとえば、マウスの皮質ニューロンからの記録）では、そのようなニューロン固有のラベルは存在しない。
- 数理アルゴリズム上の問題；神経ダイナミクスには以前考えられていたよりも高い次元があるという証拠が見つかり、運転行動における多くのニューロンの関与を示唆
本研究のアイディア
- 刺激のプロパティを識別に、刺激の開始またはオフセット中に記録された神経相互作用のグラフ理論的特徴を使用する
- 生態学的に関連する2つの刺激特性を検討；1）アイデンティティ（ジアセチル、2-ノナノン、ベンズアルデヒド、イソアミルアルコール、またはNaCl）および2）バレンス（誘引性または忌避剤）
グラフ理論とは
「グラフ理論（グラフりろん、英: Graph theory、図論）は、ノード（節点・頂点）の集合とエッジ（枝・辺）の集合で構成されるグラフに関する数学の理論である。 グラフ（データ構造）などの応用」物理的、生物学的、社会的、および情報システムにおける構造と機能の関係を明らかにするために使用されてきました[27–29]
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B0%E3%83%A9%E3%83%95%E7%90%86%E8%AB%96
https://mathtrain.jp/graph
この論文での主張
- 機械学習によるグラフの相同性理解
- 2つの刺激特性(化学物質の誘引性～忌避性とアイデンティティ(化学構造))が、ネットワーク全体の神経活動にどのように影響するかを計算した。
- 活動統計とグラフ理論的機能が刺激特性を区別することに成功したことを観察し、機械学習分類器を使用してこれらの結果を検証した。
- 最後に、励起のパターンが線虫の脳内の化学物質の表現を定義することを示唆して、化学的同一性が抑制性相互作用とは対照的に、推定的に興奮性で構成されるサブネットワークを主に変更したことを発見しました。
メモ；
- 匂いのラベリング問題(より広くは知覚・識別メカニズム)を考えようとしている論文
- 嗅覚の問題のみに限定をすると、脊椎動物にも昆虫にも(ある程度の)後天的な機能の獲得があることに興味がもたれる。
- 線虫において匂い知覚を後天的に獲得するのだろうか？少し気になるところ。
- 化学刺激のケモインフォマティックスとの関係の解析は？