Neural mechanisms that dynamically optimize odor representation in the Drosophila olfactory ciruit

• Project/Area Number: 21K06401
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 46010:Neuroscience-general-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 遠藤 啓太 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, 研究員 (40425616)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2023: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2022: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000); Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 感覚情報処理 / カルシウムイメージング / キイロショウジョウバエ / キノコ体 / 脳内表象の最適化 / コネクトーム / 抑制性相互結合 / 主成分分析 / 抑制性フィードバック / 嗅覚 / 符号化

Outline of Research at the Start

動物は外界から受ける刺激の情報を脳内で符号化して表現することで、周囲の環境・状況を知覚し、適切な行動を選択することができる。絶えず変化する感覚刺激を適切に知覚するため、符号化は刺激の種類や頻度といった統計情報に基づいてダイナミックに最適化されていると考えられる。この最適化のメカニズムとして、個々の神経細胞のレベルでは神経活動の順応や正規化が示唆されているが、神経細胞集団として最適な感覚刺激の脳内表象を生み出す情報処理についてはわかっていない。本研究では、キイロショウジョウバエの嗅覚二次中枢「キノコ体」において、匂い刺激の符号化を最適化する情報処理と、その処理に関わる神経回路機構を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

キイロショウジョウバエ（ハエ）の嗅覚二次中枢「キノコ体」では、主要介在神経細胞である約2,000個のKenyon cells (KCs) が、匂いの刺激をその種類や頻度などの統計情報に基づいてダイナミックに符号化することで、神経細胞集団全体として最適な脳内表象を生み出していると考えられる。その情報処理と神経回路機構を明らかにするために、複数の匂いを繰り返しハエに与えたときのKCsの匂い応答の変化を、二光子励起レーザー顕微鏡を用いたカルシウムイメージングによって解析した。この結果、個々のKCsの応答は刺激の繰り返しによって変化するにもかかわらず、KCs全体の脳内表象における異なる匂い間の相対的な関係は維持されることを見出した。
このような脳内表象の安定化にはGABA作動性の抑制性神経細胞を介したグローバルな抑制性フィードバックが関わっていると考え、抑制性神経細胞の働きを阻害したときのKCs全体の脳内表象の変化を解析したところ、刺激の繰り返しによるKCsの応答変化が減少することがわかった。したがって、KCsの応答変化は抑制性フィードバックの働きによってむしろ積極的に作り出されていることが示唆された。
抑制性フィードバックがKCの応答変化と脳内表象の安定を両立させる神経回路機構の手掛かりを得るために、ハエの脳の電子顕微鏡画像を元に作られたコネクトームデータを利用して、抑制性神経細胞と2,000個のKCs間のシナプス結合を全て同定し、抑制性神経細胞を介したKCs間の相互結合を定量的に解析した。この結果、似た匂いの情報を受け取るKCs同士は、異なる匂いの情報を受け取るKCs同士よりも、より多くの抑制性相互結合を持つことがわかった。したがって、一部のKCsの神経応答が変化しても、似た匂いの情報を受け取るKCsがその応答を補完することで、全体の匂い表象が維持されている可能性が示唆された。