Neural mechanism of sensory integration and decision-making in higher brain centers

• Project/Area Number: 22KJ1468
• Project/Area Number (Other): 21J40065 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 46010:Neuroscience-general-related
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 木矢 星歌 金沢大学, 理工研究域生命理工学系, 特別研究員(RPD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2025-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
• Keywords: 神経科学 / 記憶 / 初期応答遺伝子 / 性行動 / ドーパミン神経 / 昆虫 / 学習 / ドーパミン / 即初期遺伝子 / Hr38 / Stripe

Outline of Research at the Start

動物は様々な感覚情報を元に最適な行動を選択する。しかし、脳の高次中枢において多種感覚情報を統合し、行動発現を制御する神経機構については不明な点が多い。本研究では雄のショウジョウバエの性行動をモデルとして、複数の感覚情報を受け取るaSP2と呼ばれる神経群の活動に着目する。
aSP2神経の活動は雄の性行動の持続に必要であることが明らかとなっている。aSP2神経と、aSP2神経の接続先の神経であるP1神経の活動を様々な条件下で調べることで、脳の高次中枢で感覚情報がどのように伝達され、行動の発現を制御しているのかを調べる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、昆虫で保存された初期応答遺伝子Hr38の記憶における機能の一端を明らかにした。雄のショウジョウバエは雌への求愛を拒絶されると、記憶依存的に一定期間新たな雌への求愛活性が低下することが知られ、この現象を利用して雄の記憶の強度を測定することが可能である（求愛学習パラダイム）。これを用いてHr38の発現量が雄の記憶にどう影響するかを調べたところ、Hr38過剰発現によって雄の長期記憶が形成されやすくなり、逆にノックダウンによって長期記憶の障害が起こることを明らかにした。また、脳の特定のドーパミン神経（fruitless陽性PAM神経：片半球5－10個程度）におけるHr38の発現が記憶に影響することを突き止めた。さらにHr38発現が記憶に影響するタイミングについてショウジョウバエの遺伝学的手法を用いて分析し、雄が求愛拒絶を受けている「学習中」の発現量が記憶に大きく影響することを発見した。
これらの研究結果をもとに、「学習中の神経活動に伴ってHr38が発現上昇し、fruitless陽性のドーパミン神経の機能を調節することで長期記憶の形成・維持に貢献する」という仮説を立てた。最終年度中には、Hr38によって発現が制御される下流遺伝子の探索をシングルセルRNA-seq解析を行い、候補遺伝子の絞り込みを行った。現在は、上記の結果をまとめた論文を執筆中である。

Research Products

• [Journal Article] CRISPR/Cas9- and Single-Stranded ODN-Mediated Knock-In in Silkworm Bombyx mori (2024)
  • Author(s): Nakata Masami、Ueno Masumi、Kikuchi Yusuke、Iwami Masafumi、Takayanagi-Kiya Seika、Kiya Taketoshi
  • Journal Title: Zoological Science Volume: 41 Issue: 6 Pages: 540-547
  • DOI: 10.2108/zs240019
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cell assembly analysis of neural circuits for innate behavior in Drosophila melanogaster using an immediate early gene stripe/egr-1 (2023)
  • Author(s): Takayanagi-Kiya Seika、Shioya Natsumi、Nishiuchi Takumi、Iwami Masafumi、Kiya Taketoshi
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 120 Issue: 33
  • DOI: 10.1073/pnas.2303318120
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 神経活動依存的に発現する初期応答遺伝子Hr38/Nr4aはショウジョウバエのドーパミン神経において長期記憶を制御する (2023)
  • Author(s): 木矢星歌, 坂本沙紀, 橋本光平, 大村知世, 掛井伶華, 箕口昌杜, 小宮聖十朗, 佐藤翔馬, 坂井貴臣, 岩見雅史, 木矢剛智
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会