神経回路：局所的な相互作用と滑らかな勾配からロバストに生じる広域モジュール

モジュール状の構造や機能は、動物の脳や体の組織化から生態系規模に至るまで、生物学では普遍的に見られる。しかし、モジュール性のない前駆型からモジュール性が生じる機構は分かっていない。本論文で我々は、ピーク選択の原理、すなわち、純粋に局所的な相互作用と滑らかな勾配が広域の離散的モジュールの自己組織化を駆動する過程を示す。この過程では、位置情報に基づく機構とチューリングパターン形成の機構の長所を融合して、形態形成モデルが構築される。ピーク選択を脳のグリッド細胞システムに適用した場合、機能的に明確に区別されるモジュールが、離散的な空間的周期性で自己組織化される。生態システムに適用した場合、複数生物種間の離散的なニッチが生じ、地理的に離れたサンゴのコロニー間で産卵の同期が起こる。この過程は、システムサイズに応じた自己スケーリング性と「トポロジカルなロバスト性」を示し、これによってモジュール出現とその性質がほとんどのパラメーターの影響を受けなくなる。ピーク選択は、単一グリッド細胞モジュールにおいて連続アトラクター動態を微調整する必要性を減らし、グリッドモジュール周期比は隣接する整数比で近似できるため詳細に依存しない予測が可能になり、既得データと非常に正確な一致が実現する。グリッド細胞について転写、コネクトーム、生理学のレベルで立てた予想は、脳での分子、神経接続性、機能の相互作用を解明する上で有望である。

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