Elucidation of neural mechanisms underlying behavioral variability in C. elegans

Research Project

Project/Area Number	22K15619
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 51010:Basic brain sciences-related
Research Institution	Nagoya University
Principal Investigator	松山裕典名古屋大学, 理学研究科, 特任助教 (50796464)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000) Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords	神経科学 / 動物行動 / ばらつき / 線虫 C. elegans / オプトジェネティクス / 機械学習 / 知覚 / 神経回路 / 光遺伝学
Outline of Research at the Start	脳は、感覚刺激を知覚や行動に変換するマシンと見なせるが、その入出力の関係は必ずしも決定論的ではない。動物は、外部から単一のインプットが与えられた場合でも、しばしば複数の異なるアウトプットを示す。こうした「応答のばらつき」やその背後にある「知覚のゆらぎ」は、脳を特徴づけるユニークな情報処理の様式であるが、そのメカニズムは解明されていない。本研究では、線虫C. elegansをモデルとして、１種類の感覚ニューロンを選択的に刺激した際の行動を測定し、行動時系列パターンとばらつきを数理的に解析する。さらに、下流のニューロンを個別に除去した個体を用いて、行動のばらつきに関与する神経回路を明らかにする。
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、線虫をモデルとして、「動物行動のばらつき」と「知覚のゆらぎ」の神経メカニズムを明らかにすることを目的としている。特に、単一の感覚入力が複数の異なる応答行動に変換される現象に着目する。まず、光遺伝学を用いて特定のニューロンの活性を操作し、それによる神経活動変化を計測するため、線虫の温度感覚ニューロンAFDに青色光駆動型カチオンチャネルCoChRとカルシウムインディケータXCaMP-Rを特異的に発現させた系統を作出した。また、光照射が行動に影響することを避けるため、短波長の光に対して応答を示さないlite-1変異体をバックグラウンドとする系統を作出した。この系統に青色光を照射し、AFDの神経活動をカルシウムイメージングで計測する実験を行い、青色光の照射によってAFDの活性をほぼ個体差なく操作できることを確認した。行動データをハイスループットに収集するため、青色光を任意のタイミングとパターンで照射しながら、同時に多個体の線虫の行動を計測するシステムを開発した。この計測系では、トランジスタによるスイッチング回路をRaspberry Piの制御下に置くことで、高輝度青色LEDの明滅パターンを自由にプログラムすることが可能となった。また、撮影された動画から線虫の形状を自動で検出するため、機械学習を用いて線虫の複雑な形状パターンを分析するプラットフォーム(WORMPOSE)を我々の実験系に適用し、現在はその改良と調整段階にある。また、線虫に温度刺激を与えながら行動を計測する実験から、主要な温度感覚ニューロンとして知られるAFDとは別のもうひとつの温度感覚ニューロンAWCが、行動のゆらぎや、下流のニューロンの活動パターンに個体差をもたらしていることを示唆する結果が得られ、その研究成果を論文 (Kano et al., Neurosci. Res., 2023) として発表した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初は、蛍光顕微鏡下で線虫の行動を1個体ずつ計測することを計画していたが、行動パターンを数理的に解析するために、多個体の行動をハイスループットに計測するシステムの開発を行なった。今年度は、その計測系のプロトタイプの立ち上げとして、カメラの検討、LED のカスタマイズ、照射制御回路の作成、機械学習を用いた線虫の形状分析プラットフォーム(WORMPOSE)の適用と改良を行なった。今後、このシステムを稼働させることで、大規模データから線虫の行動パターンを定量化できると期待される。さらに、温度感覚ニューロン AWC が、線虫の行動および神経活動のパターンにゆらぎを生じさせていることを示唆する結果が得られ、その成果を論文 (Kano et al., Neurosci. Res., 2023) として発表した。
Strategy for Future Research Activity	今後は、本年度に開発を進めた多個体同時の行動計測システムを完成させ、稼働させる。この計測システムを用いて、温度感覚ニューロン AFD を選択的に活性化させた際の行動パターンのデータを収集し、得られたデータを数理的に解析する。また、その行動表現型が、個別のニューロンのアブレーションによってどのように変容するかを調べ、AFD の活性化によって引き起こされる行動パターンやそのゆらぎの生成に関与するニューロンを明らかにする実験を進める。