Dissecting the mechanism underlying behavioral regulation through real-time spatiotemporal manipulation of neural circuits

• Project/Area Number: 19H05644
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Broad Section G
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 森 郁恵 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (90219999)
• Project Period (FY): 2019-06-26 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥158,210,000 (Direct Cost: ¥121,700,000、Indirect Cost: ¥36,510,000); Fiscal Year 2023: ¥27,040,000 (Direct Cost: ¥20,800,000、Indirect Cost: ¥6,240,000); Fiscal Year 2022: ¥27,040,000 (Direct Cost: ¥20,800,000、Indirect Cost: ¥6,240,000); Fiscal Year 2021: ¥27,040,000 (Direct Cost: ¥20,800,000、Indirect Cost: ¥6,240,000); Fiscal Year 2020: ¥47,320,000 (Direct Cost: ¥36,400,000、Indirect Cost: ¥10,920,000); Fiscal Year 2019: ¥29,770,000 (Direct Cost: ¥22,900,000、Indirect Cost: ¥6,870,000)
• Keywords: 神経回路 / 情報処理 / 行動制御 / 光遺伝学 / C.elegans / 動物行動 / 光操作技術 / C. elegans / 細胞間コミュニケーション / 温度走性 / ばらつき / 光遺伝子

Outline of Research at the Start

コンピュータはアルゴリズムに沿って再現性のある計算を行うが、動物は同一の感覚入力に対しても「ばらついた応答」を示す。動物は、この一見曖昧な情報処理戦略を用いて、不確実に変動する環境に適応している。本研究では、感覚刺激から行動に至る一連の情報処理の過程で、この「ばらつき」がどのように生み出されるかを解明する。そのため、カルシウムイメージングと光遺伝学をリアルタイムに統合したシステムを開発し、そのシステムを活用することで、行動のばらつきを生み出す神経ロジックを読み解く。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、リアルタイム光操作技術を開発し、感覚ニューロンの活動が行動に変換されるまでのプロセスを明らかにすることを目指している。 自由行動中の線虫を追尾し、蛍光イメージングと光刺激を行うシステムの開発を進め、行動および神経活動の解析を遂行中である。また、特定のニューロンの活性を操作しながら多個体の線虫の行動を計測するシステムを開発し、行動解析を進めている。さらに、時間的に変動する温度刺激を線虫に与えながら行動を計測するシステムを開発し、温度刺激依存的な行動解析を行った。その結果、温度感覚ニューロンAWCが、温度刺激のもとで行動のゆらぎの制御に関わることを見出した。また、AWCは下流の神経活動パターンにばらつきをもたらしていることを示唆する結果が得られた。
順遺伝学的スクリーニングにより、温度情報処理に関わる因子を発見した。Obg-like ATPase (OLA-1)が線虫の摂食経験と飼育温度を連合させる上で重要な役割を果たしていることを明らかにし、OLA-1が温度感覚ニューロンAFDと介在ニューロンAIYの活動同期の制御に関与していることを見出した。また、microtubule-associated serine threonine kinaseの線虫ホモログをコードするkin-4が、線虫の高温側および低温側への移動の両方を制御する因子であることを明らかにし、ストマチンの線虫ホモログをコードするmec-2の変異体が示す好熱性異常がCREB転写制御因子の線虫ホモログをコードするcrh-1の機能喪失型の変異によって抑制できることも発見した。また、mec-2とcrh-1はAIYの神経活動を制御していることを見出した。
温度感覚ニューロンAFDにおいてcGMPシグナルの計測にも成功し、cGMPシグナルが飼育温度に依存して温度上昇と温度下降の両方に応答することがわかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

光遺伝学を用いて温度感覚ニューロンAFDを活性化させ、それによって引き起こされる行動パターンを計測するシステムを開発し、数十個体の線虫の姿勢と行動履歴を追跡することが可能となった。また、このシステムで得られた行動時系列を数理的に解析するためのプログラムの作成に取り組んだ。さらに、時間的に変動する温度刺激を線虫に与えながら行動を計測するシステムを開発し、温度刺激依存的な行動パターンの解析を行った結果、温度感覚ニューロンAWCが、温度刺激のもとで行動のゆらぎの制御に関わり、さらにAWCは下流のニューロンの活動パターンにばらつき（個体差）をもたらしていることを示唆する結果が得られた。
順遺伝学的スクリーニングにより、Obg-like ATPase (OLA-1)が線虫の摂食経験と飼育温度を連合させる上で重要な役割を果たしていることを明らかにした。また、microtubule-associated serine threonine kinaseの線虫ホモログをコードするkin-4が、線虫の高温側および低温側への移動の両方を制御する重要な因子であることを明らかにした。また、ストマチンの線虫ホモログをコードするmec-2の変異体が示す好熱性異常がCREB転写制御因子の線虫ホモログをコードするcrh-1の機能喪失型の変異によって抑制されることを発見した。カルシウムイメージングにより、mec-2とcrh-1は介在ニューロンAIYの活動を制御していることを見出した。さらに、温度感覚ニューロンAFDにおいてcGMPシグナルの計測にも成功した。蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)ベースのcGMPプローブをAFDに発現させて蛍光強度変化を計測したところ、cGMPシグナルが飼育温度に依存して温度上昇と温度下降の両方に応答することがわかった。

Strategy for Future Research Activity

これまでに開発を進めてきた光操作技術とイメージングシステムによって、神経突起でダイナミックな応答を示すニューロンの活動計測が可能になってきているため、温度感覚ニューロンAFDが活性化した際のこれらの下流のニューロンの応答パターンを計測・解析する実験を進める。下流のニューロンの一群は、細胞体ではカルシウムの変動が見られず、その神経突起において顕著な活動を示すため、それらを計測・解析することで、感覚情報処理と行動制御の背後にある新規な神経動態を明らかにできる可能性がある。さらに、これまでに開発を進めてきた多個体の行動アッセイシステムを用いて、温度感覚ニューロンAFDの活性化によって引き起こされる行動のパターン、および統計的性質を明らかにする。さらに最近、我々はニューロン以外の細胞や組織が、線虫の温度情報処理に関与していることを見出している。そこで、非神経細胞（皮膚細胞）の行動制御への関連を明らかにするため、光駆動性チャネルを非神経細胞に遺伝子導入する試みを現在行っている。この実験をさらに進め、非神経細胞がどのように行動制御に関与するかを調べる。

Assessment Rating

Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Research Products

• [Journal Article] AWC thermosensory neuron interferes with information processing in a compact circuit regulating temperature-evoked posture dynamics in the nematode Caenorhabditis elegans (2023)
  • Author(s): Amane Kano, Hironori J. Matsuyama, Shunji Nakano, Ikue Mori
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: 188 Pages: 10-27
  • DOI: 10.1016/j.neures.2022.11.001
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 線虫を使った最新の神経行動生物学 Systems neuroethology using Caenorhabdits elegans (2023)
  • Author(s): 塚田祐基
  • Journal Title: 月刊「細胞」 Volume: Vol.55 No.8
• [Journal Article] cGMP dynamics that underlies thermosensation in temperature-sensing neuron regulates thermotaxis behavior in C. elegans (2022)
  • Author(s): Aok Ichiro、Shiota Makoto、Tsukada Yuki、Nakano Shunji、Mori Ikue
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 17 Issue: 12 Pages: e0278343-e0278343
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0278343
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Genetic screens identified dual roles of microtubule-associated serine threonine kinase and CREB within a single thermosensory neuron in the regulation of Caenorhabditis elegans thermotaxis behavior (2022)
  • Author(s): Nakano Shunji、Nakayama Airi、Kuroyanagi Hiroo、Yamashiro Riku、Tsukada Yuki、Mori Ikue
  • Journal Title: G3 Genes|Genomes|Genetics Volume: 12 Issue: 11
  • DOI: 10.1093/g3journal/jkac248
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] OLA-1, an Obg-like ATPase, integrates hunger with temperature information in sensory neurons in C. elegans (2022)
  • Author(s): Aoki Ichiro、Jurado Paola、Nawa Kanji、Kondo Rumi、Yamashiro Riku、Matsuyama Hironori J.、Ferrer Isidre、Nakano Shunji、Mori Ikue
  • Journal Title: PLOS Genetics Volume: 18 Issue: 6 Pages: e1010219-e1010219
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1010219
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Neural Coding of Thermal Preferences in the Nematode Caenorhabditis elegans (2020)
  • Author(s): Matsuyama Hironori J.、Mori Ikue
  • Journal Title: eneuro Volume: 7 Issue: 3 Pages: ENEURO.0414-19.2020
  • DOI: 10.1523/eneuro.0414-19.2020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] PML2‐mediated thread‐like nuclear bodies mark late senescence in Hutchinson?Gilford progeria syndrome (2020)
  • Author(s): Wang Ming、Wang Lulu、Qian Minxian、Tang Xiaolong、Liu Zuojun、Lai Yiwei、Ao Ying、Huang Yinghua、Meng Yuan、Shi Lei、Peng Linyuan、Cao Xinyue、Wang Zimei、Qin Baoming、Liu Baohua
  • Journal Title: Aging Cell Volume: 19 Issue: 6
  • DOI: 10.1111/acel.13147
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Caenorhabditis elegans INX‐4/Innexin is required for the fine‐tuning of temperature orientation in thermotaxis behavior (2020)
  • Author(s): Tsukamoto Satomi、Emmei Taishi、Nakano Shunji、Nishio Nana、Sasakura Hiroyuki、Mori Ikue
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 25 Issue: 3 Pages: 154-164
  • DOI: 10.1111/gtc.12745
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Presynaptic MAST kinase controls opposing postsynaptic responses to convey stimulus valence in Caenorhabditis elegans (2020)
  • Author(s): Nakano Shunji、Ikeda Muneki、Tsukada Yuki、Fei Xianfeng、Suzuki Takamasa、Niino Yusuke、Ahluwalia Rhea、Sano Ayana、Kondo Rumi、Ihara Kunio、Miyawaki Atsushi、Hashimoto Koichi、Higashiyama Tetsuya、Mori Ikue
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 117 Issue: 3 Pages: 1638-1647
  • DOI: 10.1073/pnas.1909240117
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Context-dependent operation of neural circuits underlies a navigation behavior inCaenorhabditis elegans (2020)
  • Author(s): Ikeda Muneki、Nakano Shunji、Giles Andrew C.、Xu Linghuan、Costa Wagner Steuer、Gottschalk Alexander、Mori Ikue
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 117 Issue: 11 Pages: 6178-6188
  • DOI: 10.1073/pnas.1918528117
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Social contexts shape a decision-making through a gap junctional network in C. elegans (2023)
  • Author(s): 中野俊詩
  • Organizer: 新学術領域「脳情報動態」第3回国際シンポジウム
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Decoding a compact neural circuit of Caenorhabditis elegans (2023)
  • Author(s): Yuki Tsukada
  • Organizer: Neural Coding and Combinatorics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Interdisciplinary approach to dissect animal behavior (2022)
  • Author(s): Ikue Mori
  • Organizer: DonMoerman Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Genetic mechanisms of Caenorhabditis elegans isothermal tracking behavior (2022)
  • Author(s): 黄子庭
  • Organizer: NEURO2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] UNC-7/イネキシンによる線虫 C. elegans の温度情報伝達制御機構 (2022)
  • Author(s): 中山愛梨
  • Organizer: NEURO2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Non-Cell Autonomous Action of cGMP within Multi-Neuronal Network Regulates a C. elegans Navigation Behavior (2022)
  • Author(s): 中野俊詩
  • Organizer: NEURO2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Interdisciplenary approaches toward revealing principles of information processing underlying animal behavior using C. elegans as a model (2022)
  • Author(s): Ikue Mori
  • Organizer: Celebrating The Life and Science of Sydney Brenner, Cold Spring Harbor Laboratory Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Two thermosensory neurons AFD and AWC regulate purity of frequency components in temperature-evoked sinusoidal crawling (2021)
  • Author(s): A.Kano,H.J.Matsuyama,I.Mori
  • Organizer: 23rd International C. elegans Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Two thermosensory neurons AFD and AWC regulate the purity of frequency components in temperature-evoked sinusoidal crawling (2021)
  • Author(s): 加納周,松山裕典,森郁恵
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会
• [Presentation] UNC-7/Innexin Regulates Transmission of Temperature Information during C. elegans Thermotaxis (2021)
  • Author(s): Airi Nakayama, Shunji Nakano, Ikue Mori
  • Organizer: 23rd International C. elegans Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular and neural mechanisms underlying starvation-dependent decision making in C. elegans (2021)
  • Author(s): Paola Jurado, Ichiro Aoki, Rumi Kondo, Kanji Nawa, Riku Yamashiro, Hironori Matsuyama, Shunji Nakano, Isidre Ferrer, Ikue Mori
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会2021
• [Presentation] UNC-7/Innexin Regulates Transmission of Temperature Information during C. elegans Thermotaxis (2021)
  • Author(s): Airi Nakayama, Shunji Nakano, Ikue Mori
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会2021
• [Presentation] Optogenetic analysis of sensory-evoked information flow in the nervous system (2021)
  • Author(s): Hironori J. Matsuyama, Ikue Mori
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会2021
• [Presentation] Genetic screening for molecules involved in communication between tissues that regulate learning behavior (2021)
  • Author(s): Moon sun Jang, Yusei Inui, Ikue Mori
  • Organizer: 44回分子生物学会2021
• [Presentation] Genetic Mechanisms of Isothermal Tracking Behavior in Caenorhabditis elegans (2021)
  • Author(s): Tzu-Ting Huang, Shunji Nakano, Ikue Mori
  • Organizer: 23rd International C. elegans conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Genetic mechanisms of Caenorhabditis elegans isothermal tracking behavior (2021)
  • Author(s): Tzu-Ting Huang, Shunji Nakano, Ikue Mori
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会2021