睡眠と覚醒状態における匂いの脳内表現の差異とそのメカニズムの解明

• Project/Area Number: 21H04789
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 46:Neuroscience and related fields
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 風間 北斗 国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, チームリーダー (90546574)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,600,000 (Direct Cost: ¥32,000,000、Indirect Cost: ¥9,600,000); Fiscal Year 2025: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2024: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2023: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2022: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2021: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
• Keywords: 嗅覚情報処理 / 睡眠 / 行動状態 / イメージング / ショウジョウバエ

Outline of Research at the Start

ヒトは睡眠中に知覚を失う。動物も同じく睡眠状態において感覚刺激に対する応答性を著しく低下させる。しかしながら、入眠によって感覚刺激に対する神経応答がどのように変化するためにこれらの現象が起こるのかは未知である。そこで本研究では、ヒトや動物を覚醒させる性質が弱い匂い刺激の特徴を生かし、睡眠と覚醒状態における匂いの脳内表現の差異とそのメカニズムの解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

これまでに、二光子顕微鏡下でショウジョウバエ成虫の嗅覚回路の活動と個体の行動を同時に計測するシステムを用いて、嗅覚二次中枢であるキノコ体に属する約2000個全ての主要神経細胞（ケニオン細胞）の神経活動を、運動と安静、そして睡眠と覚醒状態において計測してきた。本年度はより脳の深部においてより顕著な睡眠状態依存的活動変化が見られるかどうかを検証した。具体的には、ケニオン細胞の下流に位置するドーパミン細胞を標的とした。ドーパミン細胞は、解剖学的な側面で興味深いだけでなく、先行研究で睡眠に関わることが報告されているため、その匂い刺激に対する活動変化を調べることは妥当だと考えられたためである。
キノコ体は15個のコンパートメントと呼ばれる区画化された構造から成り、異なるコンパートメントには異なるタイプのドーパミン細胞が投射している。そこで、キノコ体に投射する全てのドーパミン細胞に蛍光カルシウム指示薬GCaMP6sを発現させ、コンパートメントごとに蛍光強度の変化を解析した。キノコ体全体の輪郭はMB246-DsRedを使うことで可視化し、各個体で観察したキノコ体をテンプレートにレジストレーションした。その結果、運動から安静状態に移行する際に全体として大きな活動の変化が見られた一方、さらに安静から睡眠状態に移行する際にはコンパートメント特異的にベースライン及び匂い応答が変化することを見出した。デーコーディングの手法を用いて定量したところ、ドーパミン細胞の活動に符号化される匂い情報が変化することが分かった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

運動と安静、睡眠と覚醒状態において、キノコ体ドーパミン細胞の匂いの脳内表現にどのような違いがあるかという、年度当初の目標に迫るためのデータを取得できたため。また、安静と睡眠状態間で嗅覚情報処理が異なるという仮説を支持する結果が得られたため。

Strategy for Future Research Activity

本年度は嗅覚二次中枢であるキノコ体のドーパミン細胞の活動を計測したが、今後はキノコ体の主要細胞であるケニオン細胞から直接匂い情報を受け取ると同時に、ドーパミンと相互作用するキノコ体出力細胞において、睡眠状態依存的活動変化が見られるかどうかを検証する。キノコ体出力細胞もドーパミン細胞同様、先行研究で睡眠に関わることが報告されているため、その匂い刺激に対する活動変化を調べることは重要なステップであると考えられる。数理解析を通して、これらの細胞が表現する匂いの種類や価値の情報が、睡眠状態においても保持されているかどうかを調べる。

Research Products

• [Journal Article] Dopaminergic neurons dynamically update sensory values during olfactory maneuver (2023)
  • Author(s): Kato Ayaka、Ohta Kazumi、Okanoya Kazuo、Kazama Hokto
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 42 Issue: 10 Pages: 113122-113122
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.113122
  • URL: https://localhost/en/publications/afa88d8d-80f8-4f9a-b860-80522d33dc1b
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Central organization of a high-dimensional odor space (2022)
  • Author(s): Endo K and Kazama H
  • Journal Title: Current Opinion in Neurobiology Volume: 73 Pages: 10252-10252
  • DOI: 10.1016/j.conb.2022.102528
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An electrically coupled pioneer circuit enables motor development via proprioceptive feedback in Drosophila embryos (2021)
  • Author(s): Zeng Xiangsunze、Komanome Yuko、Kawasaki Tappei、Inada Kengo、Jonaitis Julius、Pulver Stefan R.、Kazama Hokto、Nose Akinao
  • Journal Title: Current Biology Volume: 31 Issue: 23 Pages: 5327-5340
  • DOI: 10.1016/j.cub.2021.10.005
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Circuits for innate value computation in a higher olfactory area (2024)
  • Author(s): Hokto Kazama
  • Organizer: 3rd Asia Pacific Drosophila Neurobiology Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 匂いの価値の脳内情報処理と回路メカニズム (2024)
  • Author(s): 風間北斗
  • Organizer: 感覚コンソーシアムシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Representations and circuits for opposing odor values in the brain (2023)
  • Author(s): Hokto Kazama
  • Organizer: The University of British Columbia
  • Invited
• [Presentation] Representations and circuits for opposing odor values in the brain (2023)
  • Author(s): Hokto Kazama
  • Organizer: OIST-RIKEN Brain Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 匂いの価値の脳内情報処理と回路メカニズム (2023)
  • Author(s): 風間北斗
  • Organizer: 東京大学
  • Invited
• [Presentation] 味覚受容細胞における味と匂いの化学感覚統合 (2022)
  • Author(s): 風間北斗
  • Organizer: JST MultiSensing Symposium
  • Invited
• [Presentation] Representations and circuits for opposing odor values in the brain (2022)
  • Author(s): Hokto Kazama
  • Organizer: Annual meeting of the biophysical society of Japan
  • Invited
• [Presentation] 脳は如何に匂いの価値を認識するのか？―情報処理と神経回路メカニズム― (2022)
  • Author(s): 風間北斗
  • Organizer: 東北大学
  • Invited
• [Presentation] 匂いの価値の脳内情報処理と神経回路機構 (2022)
  • Author(s): 風間北斗
  • Organizer: Sensor and IoT Consortium Seminar
  • Invited
• [Presentation] Constructing conserved representations of odor objects (2021)
  • Author(s): Hokto Kazama
  • Organizer: Mushroom body meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Online actions of dopamine neurons during olfactory navigation (2021)
  • Author(s): Hokto Kazama
  • Organizer: Neuroscience2021
  • Invited
• [Presentation] Computation and control of odor value by dopamine neurons (2021)
  • Author(s): Ayaka Kato, Hokto Kazama
  • Organizer: Cold Spring Harbor Laboratory Meeting on Neurobiology of Drosophila
• [Presentation] Encoding and control of odor value by Drosophila dopamine neurons (2021)
  • Author(s): Ayaka Kato, Hokto Kazama
  • Organizer: Society for Neuroscience
• [Book] カンデル神経科学 第二版 (2022)
  • Author(s): 宮下保司監修
  • Total Pages: 1700
  • Publisher: メディカル・サイエンス・インターナショナル
  • ISBN: 9784815730550