ハエ嗅覚神経回路における構造変化が学習能力に及ぼす影響
なぜ重要か: 企業や社会への影響が見込まれ、一般メディアにも波及する可能性があります。
arXiv:2509.19351v1発表形式：クロス
要旨：ショウジョウバエキノコガサ状体（MB）は嗅覚学習と記憶に関与することが知られており、ケニオン細胞（KC）からキノコ体出力ニューロン（MBON）へのシナプス可塑性が学習過程において重要な役割を果たします。これまでの研究はMB内の投射ニューロン（PN）からケニオン細胞（KC）への接続性に焦点を当ててきましたが、本研究では、キノコ体回路構造の摂動と接続性の変化、特にKCからMBONニューラル回路内の変化が、MBONの臭気クラス識別能力にどのように影響するかを調べました。PN、KC、MBON間の接続性を組み込んだニューラルネットワークを構築しました。モデルの訓練には、異なる臭いに対する投射ニューロン活動を表現する10個の人工入力クラスを生成しました。KCからMBONへの接続数、MBONエラー率、KCからMBONへのシナプス重量などの指標に関するデータを収集しました。その結果、シナプス前KCが非常に少ないMBONは、臭気分類タスクにおいて常に他のMBONよりも性能が低いことが分かりました。KCの発達型も各MBONの出力に大きな役割を果たしました。KCのランダムおよび標的アブレーションを行い、発達的に成熟したKCのアブレーションは、未成熟なKCのアブレーションよりもMBONの学習能力に大きな悪影響を与えることを観察しました。KC-MBONシナプス接続のランダムおよび標的プルーニングは、アブレーション実験とほぼ一致する結果をもたらしました。さらに様々なKCの種類を調べるため、PNからKC回路への再配線実験も行いました。本研究は、嗅覚神経可塑性に関する理解を深め、学習と記憶全般の理解のための重要な手がかりを提供します。嗅覚回路の処理と学習の仕組みを理解することは、人工知能や神経変性疾患の治療法にも応用できる可能性があります。
原文（英語）を表示
Title (EN): The Impact of Structural Changes on Learning Capacity in the Fly Olfactory Neural Circuit
arXiv:2509.19351v1 Announce Type: cross
Abstract: The Drosophila mushroom body (MB) is known to be involved in olfactory learning and memory; the synaptic plasticity of the Kenyon cell (KC) to mushroom body output neuron (MBON) synapses plays a key role in the learning process. Previous research has focused on projection neuron (PN) to Kenyon cell (KC) connectivity within the MB; we examine how perturbations to the mushroom body circuit structure and changes in connectivity, specifically within the KC to mushroom body output neuron (MBON) neural circuit, affect the MBONs’ ability to distinguish between odor classes. We constructed a neural network that incorporates the connectivity between PNs, KCs, and MBONs. To train our model, we generated ten artificial input classes, which represent the projection neuron activity in response to different odors. We collected data on the number of KC-to-MBON connections, MBON error rates, and KC-to-MBON synaptic weights, among other metrics. We observed that MBONs with very few presynaptic KCs consistently performed worse than others in the odor classification task. The developmental types of KCs also played a significant role in each MBON’s output. We performed random and targeted KC ablation and observed that ablating developmentally mature KCs had a greater negative impact on MBONs’ learning capacity than ablating immature KCs. Random and targeted pruning of KC-MBON synaptic connections yielded results largely consistent with the ablation experiments. To further explore the various types of KCs, we also performed rewiring experiments in the PN to KC circuit. Our study furthers our understanding of olfactory neuroplasticity and provides important clues to understanding learning and memory in general. Understanding how the olfactory circuits process and learn can also have potential applications in artificial intelligence and treatments for neurodegenerative diseases.
Published: 2025-09-24 19:00 UTC