Comprehensive investigation of molecular and neural mechanisms controlling experience-dependent behavior.

• Project/Area Number: 19K16286
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 46030:Function of nervous system-related
• Research Institution: Nippon Medical School (2022); The University of Tokyo (2019-2021)
• Principal Investigator: Hirofumi Sato 日本医科大学, 医学部, 助教 (40779435)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 感覚受容 / 記憶 / 塩走性 / ナビゲーション / 線虫 / 感覚刺激 / シグナル伝達 / 神経 / 行動可塑性 / 神経回路 / 神経可塑性 / 学習

Outline of Research at the Start

本研究は、線虫の塩濃度記憶と行動調節の機構をモデルとして、動物が経験依存的に行動を調節する機構を分子及び神経回路レベルで明らかにする事を目的とする。学習を引き起こす機構を解明するためには、まず必要な神経回路の全貌を明らかにし、その動態を制御する神経機構及び分子機構を知る必要がある。そこで、本研究では①感覚入力から行動出力までを結ぶ神経回路の動態の解析 ②感覚神経―介在神経間のシナプス極性を反転させる機構の解明 ③経験依存的な神経応答を制御する細胞内分子機構の解明、の3点に注目する。

Outline of Final Research Achievements

In this research project, we first showed that sensory neurons always show excitation in response to a decrease in salt concentration regardless of the salt concentration experienced in the past, while the primary interneurons and downstream neurons show a reversal in response to changes in salt concentration in a concentration-dependent manner. We found that glutamate release from sensory nerves and two types of glutamate receptors, excitatory and inhibitory, in interneurons contribute to this mechanism. Furthermore, we investigated the contribution of various molecules and receptors in neurons to experience-dependent changes in behavior and neural activity using mutants and forced-expression strains, including those in higher animals.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

餌と周囲の環境情報との連合学習は、動物に普遍的な学習機構ではあるが、その仕組みについては不明な点が多かった。本研究課題は線虫C. elegansという単純な神経系を持つ生物をモデル生物として用いることで、動物が過去に経験した状況に応じて刺激に対する行動を逆転させる機構を分子レベルで明らかにした。線虫の神経系はヒトをはじめ高等動物の神経系と比べて極めて単純ではあるものの、神経細胞の機能やそれを担う分子については共通するものが多い。そのため本研究課題によって得られた成果は普遍的な学習機構の解明に寄与することが期待される。

Research Products

• [Journal Article] WormTensor: a clustering method for time-series whole-brain activity data from C. elegans (2023)
  • Author(s): Koki Tsuyuzaki, Kentaro Yamamoto, Yu Toyoshima, Hirofumi Sato, Manami Kanamori, Takayuki Teramoto, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino and Itoshi Nikaido
  • Journal Title: BMC Bioinformatics Volume: -
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular encoding and synaptic decoding of context during salt chemotaxis in C. elegans (2022)
  • Author(s): Hiroki Shingo、Yoshitane Hikari、Mitsui Hinako、Sato Hirofumi、Umatani Chie、Kanda Shinji、Fukada Yoshitaka、Iino Yuichi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 2928-2928
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30279-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 線虫C. elegansを用いた学習を制御する神経機構の解明 (2022)
  • Author(s): 飯野雄一、佐藤博文
  • Journal Title: 医学のあゆみ Volume: 280 Pages: 243-250
• [Journal Article] Glutamate signaling from a single sensory neuron mediates experience-dependent bidirectional behavior in Caenorhabditis elegans (2021)
  • Author(s): Sato Hirofumi、Kunitomo Hirofumi、Fei Xianfeng、Hashimoto Koichi、Iino Yuichi
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 35 Issue: 8 Pages: 109177-109177
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109177
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Simultaneous recording of behavioral and neural responses of free-moving nematodes C.?elegans (2021)
  • Author(s): Sato Hirofumi、Kunitomo Hirofumi、Fei Xianfeng、Hashimoto Koichi、Iino Yuichi
  • Journal Title: STAR Protocols Volume: 2 Issue: 4 Pages: 101011-101011
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2021.101011
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Roles of the ClC chloride channel CLH-1 in food-associated salt chemotaxis behavior of C. elegans (2021)
  • Author(s): Park Chanhyun、Sakurai Yuki、Sato Hirofumi、Kanda Shinji、Iino Yuichi、Kunitomo Hirofumi
  • Journal Title: eLife Volume: 10 Pages: 1-27
  • DOI: 10.7554/elife.55701
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Neuron ID dataset facilitates neuronal annotation for whole-brain activity imaging of C. elegans (2020)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Suzu Oe, Yuko Murakami, Takayuki Teramoto, Chanhyun Park, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida & Yuichi Iino
  • Journal Title: BMC Biology Volume: 18 Issue: 1 Pages: 30-30
  • DOI: 10.1186/s12915-020-0745-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 線虫の経験依存的な塩走性行動はグルタミン酸シグナルによって制御される (2020)
  • Author(s): 佐藤博文
  • Organizer: MBSJ2020(第43回日本分子生物学会)
• [Presentation] Neural dynamics for bidirectional regulation of experience-dependent gustatory behavior. (2019)
  • Author(s): H. Sato, H. Kunitomo, X. Fei, K. Hashimoto, Y. Iino.
  • Organizer: 22nd International C. elegans Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫の経験塩濃度依存的な行動を制御する神経回路の動態 (2019)
  • Author(s): 佐藤博文、國友博文、Xianfeng Fei、橋本浩一、飯野雄一
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Cell identification and whole-brain activity imaging of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Suzu Oe, Yuko Murakami, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: CREST"生命動態の理解と制御のための基盤技術の創出"第7回領域会議
• [Presentation] 線⾍の塩⾛性⾏動の包括的理解に向けた全中枢神経活動と⾏動の⾼精度同時計測 (2019)
  • Author(s): 豊島 有, 佐藤 研, 三上 秀治, Stephen Wu, 佐藤 博文, Jang Moon-Sun, 金森 真奈美, 滝沢 拓己, 大江 紗, 寺本 孝行, 徳永 旭将, 広瀬 修, 合田 圭介, 石原 健, 吉田亮, 飯野 雄一
  • Organizer: 新学術領域研究「生物移動情報学」領域会議
• [Presentation] 自由行動中の生物の機能的全脳計測に適した高精度な細胞追跡手法 (2019)
  • Author(s): 豊島 有, Stephen Wu, 佐藤 研, 滝沢 拓己, 徳永 旭将, 広瀬 修, 金森 真奈美, 佐藤 博文, 寺本 孝行, Jang Moon-Sun, 久下 小百合, 石原 健, 吉田 亮, 飯野 雄一
  • Organizer: 新学術領域「レゾナンスバイオ」班会議
• [Presentation] 線虫C. elegansの神経ネットワークのダイナミクス (2019)
  • Author(s): 飯野 雄一、豊島 有、佐藤 博文、ウ ステファン、ジャン ムンソン、金森 真奈美、寺本 孝行、大江 紗、村上 悠子、久下 小百合、広瀬 修、徳永 旭将、岩崎 唯史、吉田 亮、石原 健
  • Organizer: 第90回日本動物学会大会
• [Presentation] Molecular and neural mechanisms of salt concentration memory-dependent chemotaxis of Caenorhabditis elegans (2019)
  • Author(s): Hirofumi Kunitomo, Hirofumi Sato, Hinako Mitsui, Yuichi Iino
  • Organizer: 第48回 内藤コンファレンス
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bio-image informatics for whole-brain activity imaging of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: 22nd International C. elegans Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫全脳の機能的イメージングと動態解析 (2019)
  • Author(s): 豊島 有, Wu Stephen, 金森 真奈美, 佐藤 博文, Jang Moon Sun, 村上 悠子, 大江 紗, 徳永 旭将, 広瀬 修, 久下 小百合, 寺本 孝行, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 石原 健, 飯野 雄一
  • Organizer: 第44回レーザー顕微鏡研究会
• [Presentation] Exploring the origin of brain and central nervous system through monitoring the neural activity of the whole animal (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Hirofumi Sato, Manami Kanamori, Stephen Wu, Moon Sun Jang, Suzu Oe, Yuko Murakami, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会
• [Presentation] Bio-image informatics for whole brain activity imaging and analysis of neural activity of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Bio-image informatics for whole brain imaging and analysis of neural activity of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: Resonance Bio International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A pipeline of bio-image informatics for whole-brain imaging of C. elegans and analysis of the neural activity (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: The 20th International Conference of Systems Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Conservation and variability in the neural sub-networks in the whole nervous system of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yuichi Iino, Yu Toyoshima, Hirofumi Sato, Stephen Wu, Yuishi Iwasaki, Manami Kanamori, Moon-Sun Jang, Suzu Oe, Yoko Murakami, Sayuri Kuge, Osamu Hirose, Terumasa Tokunaga, Takayuki Teramoto, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 線虫の連合学習の記憶に基づく行動スイッチング:中枢神経回路活動可視化による解析 (2019)
  • Author(s): 大江 紗, 村上 悠子, 寺本 孝行, 豊島 有, 徳永 旭政, Wu Stephan, 広瀬 修, Moon-Sun Jang, 佐藤 博文, 金森 真奈美, 久下 小百合, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 飯野 雄一, 石原 健
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 全脳カルシウムイメージングによる線虫の神経動態解析 (2019)
  • Author(s): 村上 悠子, 大江 紗, 寺本 孝行, 豊島 有, 徳永 旭政, Stephan Wu, 広瀬 修, Jang Moon-Sun, 佐藤 博文, 金森 真奈美, 久下 小百合, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 飯野 雄一, 石原 健
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 嗅覚応答にかかわる機能的神経回路の可塑性はいかにして行動を制御するのか (2019)
  • Author(s): 一ノ瀬 元成, 村上 悠子, 豊島 有, 大江 紗, Stephen Wu, 金森 真奈実, 寺本 孝行, Moon-Sun Jang, 佐藤 博文, 吉田 亮, 飯野 雄一, 石原 健
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会