1.28.2.4 Olfactory Reversal in Nematodes
行動の刺激-反応組織が特定の進化的適応であるとすれば、例えば、予測可能な状況で行動選択を早めるために進化したとすれば、おそらく、進化が刺激から反応への経路を合理化したと思われる動物モデルにその例を見出すことができるでしょう。 最もよく研究されている遺伝子モデル生物の1つであり、今のところ、神経系の完全なコネクトームを持つ唯一の成体動物は、302個のニューロンを持つ線虫Cenorhabditis elegansである。 線虫のコネクトームは、感覚ニューロンから運動ニューロンへのフィードフォワード接続が主であるため（Qian et al.
この線虫の特徴的な行動に反転行動があります。 この行動を制御する回路は、わずか4つのニューロンと、その44の化学的結合、そして電気的シナプスで記述することができます。 このシステムの中心となるのがAVAというニューロンである。 AVAが活性化すると、動物はコースを反転する。 このニューロンへの感覚入力は、嗅覚ニューロンであるAWCによって行われる。 例えば、AWCが魅力的な匂いで刺激されると発火しなくなり、AVAは興奮性の入力を失って発火しなくなり、反転しにくくなる。 逆に、実験的にあるいは嫌悪的な匂いでAWCを活性化すると、AVAがシナプスで活性化され、反転の可能性が高まる（Gordus et al.2015）。
回路の接続性から得られる最初の興味深い観察結果は、感覚を司るAWCニューロンからAIBインターニューロンへの接続が、反転ニューロンAVAへの接続よりも多いことです。 これは、神経系の主な機能が感覚情報を運動中枢に伝達することであるとすれば、予想外のことである。 刺激のない状態で、この回路を固定したワームでイメージングしてみると、すべてのニューロンに複雑なパターンの相関活動が見られる。 興味深いことに、ニューロンの活動状態は、ほとんどの場合、オン（ニューロンが活動している）かオフ（ニューロンが活動していない）の二元的なものである。 この回路の活動変動を定量化すると、理論的に可能な8つの状態のうち、3つの主要な状態がよく見られることがわかる。 この結果から、2つのことがわかりました。 1つ目は、何の刺激もなくても、このようなネットワークダイナミクスは、感覚的な入力を必要とせずに自発的な反転を起こすことができるということである。 第二に、AWCに到達した各嗅覚刺激は、回路が現在置かれている状態と相互作用する。静止した回路に到達して、それまでなかった神経活動を引き起こすのではない。 この相互作用の結果として、自発的な反転が起こるだけでなく、嫌悪臭の存在下で「自発的な」非反転が起こることになる。
この回路の介在ニューロンの片方または両方をサイレンシングする実験を行ったところ、AIBとRIMの役割は反転回路の変動性を高めることであることがわかりました。 嗅覚ニューロンAWCから回路への入力は、例えば匂いが提示された場合には常に非常に正確で予測可能であるが、反転回路の活動は常に大きく変動し、AIB、RIM、またはその両方がサイレンシングされた場合にはこの変動性が減少する（Gordus et al. この発見は、RIMとAIBが反転回路に特別に組み込まれることで、不適応な決定論的反転回路に必要な変動性を注入することができるという優れたケースとなる。 驚くべきことに、この小さな回路でも、フィードフォワード接続が接続性を支配しているにもかかわらず、フィードバック接続によって提供される変動性が、行動の適応的な特徴である変動性を支配しているのです。 今回の研究により、進行中の活動が外部刺激によって単に調節されるように神経系が構成されている動物の数が増えているが、線虫もその一つである。 線虫の場合、この回路を構成する4つのニューロンのうち、2つのニューロンは、刺激が動物の行動に与える影響を和らげ、環境に対して動物をより自律的にするためだけに存在しているようだ。 他の動物と同様に、最もエネルギーコストの高い組織を構成する302個のニューロンしか持たない動物が、神経系の刺激-反応結合の影響に対抗するために回路の50％を費やしているとしたら、この発見が動物の行動組織に与える影響は一般的に過小評価できないでしょう。
つまり、感覚野から運動野へのフィードフォワード接続が多いコネクトームは、主に感覚入力から運動出力を計算していることを意味するという考えとは逆に、線虫の神経系は、これまでこの点で研究されてきた他の多くの神経系と同様に、常に変化する継続的な活動が最も特徴的です。 このようなフィードフォワード主体のネットワークでは、たとえ小さなフィードバック成分であっても、全体のアーキテクチャに基本的な貢献をしていると考えられる。
このことは、神経解剖学的にフィードバックループが支配的であると思われる哺乳類などの脳にとって、どのような意味を持つのでしょうか。