発声経験依存的エピゲノム制御を介した学習臨界期形成機構の解明

• Project/Area Number: 14J01737
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Genome biology
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 早瀬 晋 北海道大学, 生命科学院, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000); Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 発声学習 / 学習臨界期 / ソングバード / 神経可塑性 / エピゲノム

Outline of Annual Research Achievements

ヒトの言語獲得を含む発声学習では手本となる音を聞き、自発的に発声練習を繰り返すことによって学習が成立する。またこの学習には学習臨界(適応)期が存在し、その期間を過ぎると正常な学習ができない。しかし、発声学習における学習臨界期を制御する脳内神経メカニズムは十分に理解されていない。私は『脳内特定部位における発声練習経験依存的な神経可塑性に関わる遺伝子群の発現調節が学習臨界期間の制御に影響を与える』とする仮説をもとに、学習臨界期中に発声行動練習を阻害した個体を用いて研究を進めてきた。昨年度までの研究ではソングバード脳内の発声行動生成に特化した神経核RAにおけるArc遺伝子発現誘導率、樹状突起スパイン密度、そして発声学習能力のすべてが加齢非依存的に、長期の発声練習経験を通して制御される事を明らかにしてきた。以上の結果から、本年度では次世代シークエンスによるRNA-seq結果をもとに、加齢非依存かつ発声練習経験依存的なふるまいを示す遺伝子群を探索し、神経活動依存的な70個の遺伝子群を検出した。これらの遺伝子群の脳内発現パターンをin-situ hybridizationで確認した結果、これまで着目してきた神経核RAが、脳内歌神経核の中でも特に遺伝子発現調節のホットスポットであることが判明した。季節性で発声学習臨界期を繰り返すカナリアの脳を用いて同様の遺伝子群の発現誘導率の変化を追ったところ、カナリアでもこれらの遺伝子群は歌の固定化と共に発現低下されるが、歌の再編成期になると再び誘導されることがわかった。この結果は、神経核RAにおける比較的少数の遺伝子群の発現誘導率調節こそが発声学習臨界期制御の本質であるとの可能性を強く示唆している。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Sex differences in brain thyroid hormone levels during early post-hatching development in zebra finch (Taeniopygia guttata) (2017)
  • Author(s): Yamaguchi S., Hayase S., Aoki N., Takehara A., Ishigohoka J., Matsushima T., Wada K., Homma K.J.
  • Journal Title: PLoS One Volume: 12 Issue: 1 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0169643
  • URL: https://pure.teikyo.jp/en/publications/8d70d4f1-4e2c-4816-ad1a-4395b6470d70
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A quantitative method for analyzing species-specific vocal sequence pattern and its developmental dynamics (2016)
  • Author(s): Imai R, Sawai A, Hayase S, Furukawa H, Asogwa CN, Sanchez M, Wang H, Mori C, Wada K.
  • Journal Title: Journal of Neurosci Methods Volume: 271 Pages: 23-33
  • DOI: 10.1016/j.jneumeth.2016.06.023
  • NAID: 120006394554
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Towards elucidation of memory engram”, Accumulation of vocal experience regulates the critical period of vocal learning in songbirds (2016)
  • Author(s): Shin Hayase
  • Organizer: NIPS International Symposium
  • Place of Presentation: 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 生理学研究所（愛知県、岡崎市）
  • Year and Date: 2016-12-06
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Learning and cognition embedded in animal behabiours"、"Accumulation of vocal experience regulates the critical period of vocal learning in songbirds (2016)
  • Author(s): Shin Hayase
  • Organizer: Avian Brain and Behaviour, Sapporo Workshop 2016
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道、札幌市）
  • Year and Date: 2016-11-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Accumulation of singing experience regulates the critical period of vocal plasticity during birdsong active learning (2016)
  • Author(s): Shin Hayase
  • Organizer: Society for neuroscience 46th annual meeting Neuroscience2016
  • Place of Presentation: the San Diego Convention Center（アメリカ合衆国、カリフォルニア州、サンディエゴ）
  • Year and Date: 2016-11-14
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Accumulation of vocal experience regulates the critical period of vocal plasticity during active learning of birdsong (2016)
  • Author(s): Shin Hayase
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2016-07-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ソングバードにおける発声行動経験依存的な脳内遺伝子発現誘導制御と発声学習臨界期 (2015)
  • Author(s): 早瀬 晋
  • Organizer: NGS現場の会・第四回研究会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城県つくば市)
  • Year and Date: 2015-07-01
• [Presentation] Experience-dependent regulation of singing-driven gene expression in the song system during the critical period for vocal learning. (2014)
  • Author(s): Shin Hayase, Eri Ohgushi, Masahiko Kobayashi, Kazuhiro Wada
  • Organizer: Neuroscience2014 (Society for Neuroscience 44th annual meeting)
  • Place of Presentation: Walter E. Washington Convention Center (Washington, D.C., USA)
  • Year and Date: 2014-11-19
• [Presentation] Regulation of singing-driven genes in the song system during the critical period for vocal learning (2014)
  • Author(s): Shin Hayase, Eri Ohgushi, Masahiko Kobayashi, Kazuhiro Wada
  • Organizer: 2014 ICN / JSCPB(meeting of the 11th International Congress of Neuroethology)
  • Place of Presentation: Sapporo Convention Center (北海道 札幌市)
  • Year and Date: 2014-07-31