Toward understanding the principle of neuronal computation in learning behaviors: Pan-neuronal analysis in the central nervous system of the leech

• Project/Area Number: 18J00526
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Animal physiology/Animal behavior
• Research Institution: Hokkaido University (2020); Keio University (2018-2019)
• Principal Investigator: 冨菜 雄介 北海道大学, 電子科学研究所, 特任助教
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2018: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 神経行動学 / 神経生理学 / 膜電位イメージング / 学習 / 電気生理学 / 無脊椎動物 / ニューロン / シナプス / 環形動物 / 記憶 / ヒル

Outline of Annual Research Achievements

本研究は中枢神経系の広域に分布するニューロン集団の活動ダイナミクスの役割という観点から、機械感覚を介した学習行動を担う神経回路網の動作原理の解明を目標とする。機械刺激による反射行動の誘導が簡便かつ、網羅的な細胞同定が可能なヒル(Hirudo verbana)の神経節を対象とした。胴体部への圧感覚刺激に対する局所湾曲反射を対象とし、鋭敏化学習を単離体節神経節標本において再現した。カリフォルニ工科大学で確立した網羅的膜電位イメージング法(Tomina&Wagenaar, 2017)を利用して、ヒル神経節腹側・背側に分布するニューロン群からの網羅的活動データを収集した。さらに、圧感覚刺激および侵害刺激を提示された際、どのニューロン群が動員されるのかを調べるため、コヒーレンス解析による網羅的マッピングを遂行した。特に接触・圧力・侵害感覚系のネットワークは構成要素の多くを共有し、その大多数は複数の運動ニューロン群に収斂した。本研究は論文として取りまとめ中である。同様のアプローチを接触・圧刺激の両方を対提示した試行にも適用した。これにより自然状態に近い機械刺激を与えた場合と、各刺激を単独で与えた場合とで比較を行った。その結果、刺激対提示した場合、単独の圧刺激で動員されるニューロン群のうち約10％が抑えられ、約7％のニューロンが新規動員された。これは、接触刺激と圧刺激により生じた異なる感覚入力の統合が複数のニューロンに渡って行われることを示唆する。これは短報として取りまとめる予定である。また、網羅的膜電位イメージング技術と連続ブロック表面透過型電子顕微鏡撮像によるコネクトームを組み合わせた機能的コネクトーム解析を行った。その成果は国際オープンアクセス誌eLifeに掲載された他、2020年の日本動物学会オンライン大会、２０２１年の日本動物学会北海道支部オンライン大会においても報告した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] California Institute of Technology/University of California, San Diego(米国)
• [Int'l Joint Research] California Institute of Technology/University of California San Diego(米国)
• [Int'l Joint Research] California Institute of Technology/University of California, San Diego(米国)
• [Journal Article] Anatomy and activity patterns in a multifunctional motor neuron and its surrounding circuits (2021)
  • Author(s): Ashaber Maria*、Tomina Yusuke*、Kassraian Pegah*、Bushong Eric A、Kristan William B、Ellisman Mark H、Wagenaar Daniel A
  • Journal Title: eLife Volume: 10
  • DOI: 10.7554/elife.61881
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Combined membrane potential imaging and connectome of behavioral circuits in an annelid worm (2020)
  • Author(s): Mria Ashaber, Yusuke Tomina, Pegah Kassraian-Fard, Eric A. Bushong, William B. Kristan Jr, Mark H. Ellisman, Daniel A. Wagenaar
  • Journal Title: bioRxiv Volume: 2020.03.09 Pages: 1-25
  • DOI: 10.1101/2020.03.09.984013
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Comprehensive voltage sensitive dye imaging in the leech nervous system using double-sided microscopy (2018)
  • Author(s): 冨菜 雄介, Daniel A. WAGENAAR
  • Journal Title: Hikaku seiri seikagaku(Comparative Physiology and Biochemistry) Volume: 35 Issue: 3 Pages: 168-177
  • DOI: 10.3330/hikakuseiriseika.35.168
  • NAID: 130007569077
  • ISSN: 0916-3786, 1881-9346
  • Year and Date: 2018-12-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ヒル中枢神経系の多様な行動を担う運動ニューロンと前運動ニューロン群を対象とした機能的コネクトーム法による神経生理-解剖学的解析 (2021)
  • Author(s): 冨菜雄介、アシャバー・マリア, カスライアン・ペガ, ブッション・エリック, クリスタン・ビル, エリズマン・マーク, ワゲナー・ダニエル
  • Organizer: 日本動物学会第65回北海道支部大会(オンライン)
• [Presentation] 新規の機能的コネクトーム法を用いたヒル中枢神経系における多様な行動を担う前運動ニューロン群のシナプス接続の解析 (2020)
  • Author(s): 冨菜雄介, アシャバー・マリア, カスライアン・ペガ, ブッション・エリック, クリスタン・ビル, エリズマン・マーク, ワゲナー・ダニエル
  • Organizer: 日本動物学会第91回大会(オンライン)
• [Presentation] 網羅的膜電位イメージング法を用いた接触・圧・侵害感覚の生成において動員されるヒル神経節ニューロン集団の機能的マッピング (2020)
  • Author(s): 冨菜雄介, 岡浩太郎,Daniel A. Wagenaar
  • Organizer: 第72回日本動物学会関東支部大会
• [Presentation] 多様な機械感覚刺激において動員されるヒル神経節のニューロン群：網羅的イメージング法による機能的マッピング. (2019)
  • Author(s): 冨菜雄介, 岡浩太郎, Daniel A. Wagenaar
  • Organizer: 日本動物学会第90回大会
• [Presentation] Combined membrane potential imaging and connectome of behavioral circuits in the medicinal leech (2019)
  • Author(s): *Maria Ashaber, ○*冨菜雄介, Eric A. Bushong, Pegah Kassraian-Fard, Tom Deerinck, Mark Ellisman, Daniel A. Wagenaar
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第41回大会
• [Presentation] Whole ganglion mapping for various types of mechanosensation in the leech nervous system using voltage-sensitive dye imaging (2019)
  • Author(s): Tomina, Y. Oka, K., and Wagenaar, D. A.
  • Organizer: 49th annual meeting of the Society for Neuroscience.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Form and function: Connectivity and activity maps of behavioral circuits in the medicinal leech. (2019)
  • Author(s): *Ashaber, M., *Tomina, Y., Bushong, E.A., Fard, P.K., Kim, K.Y. Deerinck, T., Elisman, M.H., and Wagenaar, D.A.
  • Organizer: 49th annual meeting of the Society for Neuroscience.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 両側膜電位イメージング法を利用したチスイビル類の鋭敏化学習における神経集団活動の解析 (2018)
  • Author(s): 冨菜 雄介, 岡 浩太郎, Daniel A. Wagenaar
  • Organizer: 日本動物学会第89回大会
• [Remarks] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/lobster
• [Remarks] Wagenaar lab
  • URL: http://www.danielwagenaar.net/
• [Remarks] Researchmap 冨菜雄介
  • URL: https://researchmap.jp/lobster/
• [Remarks] The Wagenaar lab
  • URL: http://www.danielwagenaar.net/
• [Remarks] Yusuke Tomina personal website
  • URL: https://homarustomina.wixsite.com/personal