ショウジョウバエの脳において、睡眠の制御は機能しないはずの結合に依存している。二つの時計ニューロン群が実際に情報を伝達していることは証明されている。小型腹側神経細胞(s-LNv)は神経ペプチドsNPFを放出し、より大型の隣接細胞であるl-LNvニューロンは、そのシグナルを夜間睡眠の安定化へと変換する受容体を備えている。しかし、ハエの脳の最も詳細な配線図には、この二群の間に化学シナプスは存在しない。睡眠を制御するメッセージは存在するのに、それを送る標準的な経路は存在しないのである。7月30日にbioRxivへ投稿されたプレプリントはこの矛盾を解決する。送信側のニューロンは三通りの方法でメッセージを発信しており、それぞれが異なる行動を駆動する。すなわち軸索終末から、細胞体から、そしてシナプスを形成せずに隣接ニューロンに触れるサイトネームと呼ばれる細い糸状仮足様の突起を通じてである。
どこにも届かない終末からのメッセージ
神経生物学の標準的な前提は、ニューロンが素早い神経伝達物質を扱うのと同じ軸索終末から神経ペプチドを放出し、そのペプチドが近傍の標的へ拡散するというものである。幅が1ミリメートルに満たないハエの脳では、拡散は容易なはずである。この過程をリアルタイムで観察するため、研究チームはGRABsNPF1.0と呼ばれる蛍光センサーを用いた。このセンサーはsNPFが受容体に結合すると光るよう設計されており、スピニングディスク共焦点顕微鏡下の生きた脳切片の時計ニューロンで発現させた。対照実験により、センサーは投与されたsNPFに対して用量依存的に応答し、変異させて機能しないようにしたバージョンはまったく応答しないことが示された。
分子時計は、この分野でZT 3と呼ばれる午前中盤の時刻に、s-LNv終末からのsNPF放出のバーストを駆動する。そのピーク時および試験した他のすべての時点で、センサーはl-LNvニューロンでもs-LNv細胞体でも何も検出しなかった。昆虫の小さな脳の中であっても、終末から放出されたペプチドは、それを必要とする細胞に届くほど遠くまで拡散しなかったのである。
細胞体からの発信
重要なシグナルは夜の終わり近くに現れる。点灯の約1時間前であるZT 23に、s-LNv細胞体の位置で細胞外sNPFが上昇し、それに応じてl-LNvの細胞体も応答する。この時刻は意味を持つ。これまでの研究で、s-LNv細胞体の高密度コア小胞がZT 23に、睡眠の安定化に関連するIP3依存的な過程を通じて膜と融合することが示されており、新たな実験はこの二つの観察結果を結びつける。このシグナル伝達を緩衝するIP3スポンジを発現させるか、送信側の細胞でのsNPF産生をノックダウンすると、s-LNvとl-LNvの両方の細胞体で夜の終わりのシグナルが消失した。l-LNvニューロンは独自のsNPFを産生しないため、その細胞体で検出されるペプチドは外部から届いたものとしか考えられない。
結論は、睡眠に関わる情報伝達が細胞体から細胞体へと行われるということである。一方のニューロンの細胞体がsNPFを放出し、受け取る側のニューロンの細胞体がそれを受け取る。終末はこのやり取りから完全に除外される。
サイトネームの橋
細胞体間の拡散だけがすべてではない。二つのニューロン群は互いに接触もしているからである。ヘミブレイン、視葉コネクトーム、雄の中枢神経系コネクトームという三つの電子顕微鏡ベースのコネクトームデータセット(いずれもFIB-SEMボリュームから構築)の再構成により、s-LNvとl-LNvの細胞体が、長さ最大約20マイクロメートル、幅わずか150〜400ナノメートルの細い突起を伸ばしていることが示された。ライブイメージングでは、これらの突起は数秒のうちに伸長と退縮を繰り返す、極めて動的な構造であることが判明した。これらの突起は高密度コア小胞を運び、突起自体の内部でエキソサイトーシスを行い、アクチン結合タンパク質によって標識される。これらはすべてシグナル伝達型フィロポディアの特徴である。これらの突起は、発生期のハエの組織で最初に記載された突起のクラスと同じサイトネームに該当する。そして、サイトネームの成長に必要なフォルミンであるdiaphanousに対するRNA干渉は、予想どおりこれらの突起を短縮した。
サイトネーム間の接触こそ、従来のコネクトミクスが見逃しているものである。注目する細胞に触れるあらゆるニューロンを標識するtrans-Tangoアッセイでは、調べた12個すべての脳半球でs-LNvとl-LNvニューロン間の接触が検出された。電子顕微鏡ボリュームでは、これらの接触はグリアに包まれた膜と膜の直接的な接着であり、内部に高密度コア小胞があり、小胞の融合を示すオメガ型のプロファイルが認められる。欠けているものも同様に示唆的である。Tバーはなく、シナプス後肥厚もなく、小型の明るい小胞のクラスターもなく、微小管もない。シナプスを注釈するために用いられるすべての基準において、これらの接触は該当しない。それらは現実に存在し、直接的で、行動にも関与する。しかし標準的なコネクトーム解析では見えないのである。
三つの区画、三つの行動
ニューロン内の役割分担は明確である。LNvニューロンでdiaphanousをノックダウンしてサイトネームを短縮しても、概日リズムの指標である総活動量、周期、リズム性、朝の予期行動はすべて正常のままで、何一つ変化しなかった。これは、終末から放出されるPDFペプチドが概日行動を駆動するという既知の役割と一致する。細胞体由来のsNPFが支配する行動である夜間睡眠も影響を受けなかった。変化したのは睡眠潜時、すなわちハエが眠りにつくまでの時間だった。この効果は、センサーを発現させた場合と発現させない場合の両方で、独立した二つのRNAi系統とその挿入部位対照系統にわたって認められた。
サイトネームの効果もまた、sNPFのシグナル伝達からは独立している。sNPF受容体の細胞特異的ノックアウトは、このペプチドの既知の役割を再現して夜間睡眠を減少させたが、睡眠潜時には影響を与えなかった。終末、細胞体、サイトネームはそれぞれ異なる行動を担っている。終末のPDFは概日リズムのタイミングを調整し、細胞体のsNPFは夜間睡眠を安定化させ、細い非シナプス性の橋は入眠の速さを調節する。
なぜ重要なのか
この結果は、配線図が脳の全体ではないことを鋭く思い起こさせる。コネクトミクスはシナプス結合から行動を説明することを目指している。しかしハエの時計ニューロンは、その仕事のかなりの部分を、配線図が省略する経路、すなわち細胞体間のペプチド拡散と、従来のシナプスマーカーを持たないサイトネーム接触を通じて行っている。この発見は、コネクトーム解析が行動を説明するために、ペプチド作動性の細胞体の近接性とサイトネーム接触を考慮に入れる必要があるかもしれないことを示唆する。また、単一のニューロンが何であるかという理解も広げる。ニューロンは一つの場所から一つのシグナルを送る装置ではなく、異なる発信元から異なるメッセージを発信できる細胞であり、睡眠には細胞体、タイミングには終末、入眠の速さには細い橋が使われる。
限界
ここには三つの注意点がある。第一に、この研究はプレプリントであり、査読を受けていない。第二に、研究はショウジョウバエで行われたものであり、哺乳類のニューロンが同様のシグナル伝達にサイトネーム様の接触を用いるかどうかは、未検証のままである。第三に、サイトネームの機能を調べるために用いたdiaphanousノックダウンは広範な撹乱である。この操作はこれらの突起を短縮するが、サイトネームへの行動の帰属は、系統間で一貫しているとはいえ、単一のツールに依存している。
要点
ハエの時計回路において、睡眠は単一のシグナルではなくポートフォリオである。細胞体から発信されるペプチドが夜間睡眠を安定化させ、終末で放出されるペプチドが概日リズムのタイミングを調整し、膜の非シナプス性の橋が入眠の速さを決める。ニューロンが主にシナプスで情報を伝達するという標準的な見方は間違ってはいない。ただ不完全なだけである。次世代の脳地図は、結合のように見えない結合を描く必要があるかもしれない。
雅子 訳
出典
Klose MK, Rivlin PK, Bulgari D, Kim J, Gregg SN, Xia X, Li Y, Schmidt BF, Deitcher DL, Levitan ES. Adult Clock Neuron Somatic Neuropeptide Release and Cytonemes Regulate Sleep. bioRxiv preprint, posted July 30, 2026. DOI: 10.64898/2026.07.27.741016. Not yet peer reviewed. Supported in part by NINDS R01NS032385 and NIMH R24MH114785. No competing interests declared.