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

• Project Area: Systems Science of Bio-navigation
• Project/Area Number: 17H05970
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 豊島 有 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (10632341)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2018: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2017: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
• Keywords: 機能的全脳イメージング / 行動計測 / 神経細胞の同定 / 数理モデル化 / 線虫

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ナビゲーション行動中の線虫の全神経活動の観察やナビゲーション行動の数理モデル化を通じて、神経系の情報処理の仕組みを理解することを目指した。
2018年度も、前年度に引き続き、行動中の線虫の全神経活動の観察に用いる顕微鏡の開発を進めた。自由行動中の線虫を自動追尾するトラッキングステージを試作顕微鏡と組み合わせることで、自由行動中の線虫の全脳イメージングの3D画像を得ることに成功した。一方、線虫の行動に伴って光シートの照射方向と線虫の角度が変わると励起光のムラが生じることが判明した。光シートの照射角度を変更できる回転光学系の導入によって、この問題が解決できないか検討を進めている。
また線虫の神経活動を神経回路レベルで解析するために、線虫の神経細胞を自動的に同定する技術の開発を進めた。定量された神経活動を神経回路に対応付けるためには、画像中の個々の細胞を既知の神経と対応付ける細胞同定のステップが必要となる。線虫では特定の細胞で発現を誘導するプロモーターが多数知られている。代表者らは30種類を超えるプロモーターを蛍光タンパクにつないで実際に線虫に導入し、発現細胞とその相対的な位置を確認したデータベースを構築してきた。これをもとに、細胞の位置のばらつきは隣の細胞の平均位置まで及ぶほど大きいことなどを明らかにした。またこのデータベースと機械学習の手法を組み合わせて、60%程度の精度で線虫の神経細胞を自動的に同定できるプログラムを開発し、GUIに組み込んだ。これらの技術開発により、線虫の神経活動を神経回路レベルで解析する基盤が確立された。これらの結果は現在論文投稿準備中である。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Medical Research Council(United Kingdom)
• [Journal Article] 増大特集 細胞多様性解明に資する光技術─見て,動かす Ⅲ.見えたものを理解する 線虫の4Dイメージング画像処理 (2017)
  • Author(s): 豊島 有
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 68 Issue: 5 Pages: 474-475
  • DOI: 10.11477/mf.2425200701
  • ISSN: 0370-9531, 1883-5503
  • Year and Date: 2017-10-15
• [Journal Article] SPF-CellTracker: Tracking multiple cells with strongly-correlated moves using a spatial particle filter (2017)
  • Author(s): Hirose Osamu、Kawaguchi Shotaro、Tokunaga Terumasa、Toyoshima Yu、Teramoto Takayuki、Kuge Sayuri、Ishihara Takeshi、Iino Yuichi、Yoshida Ryo
  • Journal Title: IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics Volume: - Issue: 6 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1109/tcbb.2017.2782255
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Modulation of sensory information processing by a neuroglobin inCaenorhabditis elegans (2017)
  • Author(s): Oda Shigekazu、Toyoshima Yu、de Bono Mario
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 114 Issue: 23
  • DOI: 10.1073/pnas.1614596114
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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] 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 (2018)
  • 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 (2018)
  • 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] Bio-image informatics for whole-brain activity imaging of C. elegans (2018)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Manami Kanamori, Takayuki Teramoto, Moon-Sun Jang, Hirofumi Sato, Suzu Oe, Yuko Murakami, Ken Sato, Sayuri Kuge, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: CeNeuro2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular and circuit-level analyses reveal the neural mechanisms for the experience-dependent salt chemotaxis in C. elegans. (2018)
  • Author(s): Yuichi Iino, Hirofumi Sato, Yu Toyoshima, Masahiro Tomioka, Hirofumi Kunitomo, Takashi Nagashima, Moon-Sun Jang, Stephen Wu, Manami Kanamori, Llian Mabardi, Shingo Hiroki, Suzu Oe, Yuko Murakami, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida and Takeshi Ishihara
  • Organizer: Asia-Pacific C. elegans meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 感覚統合のメカニズム (2018)
  • Author(s): 村上 悠子, 大江 紗, 勝目 拓海, 寺本 孝行, 豊島 有, 徳永 旭将, 広瀬 修, Wu Stephan, Jang Moon Song, 佐藤 博文, 久下 小百合, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 飯野 雄一, 石原 健
  • Organizer: 第41回日本神経科学大会
• [Presentation] 線虫C. elegansにおける化学物質に対する誘引行動と忌避行動との切り替えの神経回路機構? (2018)
  • Author(s): 飯野 雄一, 佐藤 博文, 豊島 有, 大江 紗, ジャン ムンソン, ウ ステファン, 金森 真奈美, 國友 博文, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 石原 健
  • Organizer: 第41回日本神経科学大会
• [Presentation] 線虫全脳イメージングのための高速三次元蛍光顕微鏡の開発 (2018)
  • Author(s): 佐藤 研, 三上 秀治, 豊島 有, 飯野 雄一, 合田 圭介
  • Organizer: 第41回日本神経科学大会
• [Presentation] Simultaneous measurement of whole-brain activity and behavior toward comprehensive understanding of salt chemotaxis of C. elegans (2018)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Ken Sato, Hideharu Mikami, Stephen Wu, Hirofumi Sato, Moon-Sun Jang, Manami Kanamori, Suzu Oe, Takayuki Teramoto, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Keisuke Goda, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: International Symposium on Systems Science of Bio-Navigation 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simultaneous measurement of whole-brain activity and behavior toward comprehensive understanding of salt chemotaxis of C. elegans (2018)
  • Author(s): Suzu Oe, Yuko Murakami, Yuki Kawahara, Takayuki Teramoto, Yu Toyoshima, Terumasa Tokunaga, Stephan Wu, Osamu Hirose, Jang Moon-Sun, Hirofumi Sato, Hiroki Takizawa, Sayuri Kuge, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Yuichi Iino, Takeshi Ishihara.
  • Organizer: International Symposium on Systems Science of Bio-Navigation 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫の全中枢神経細胞活動データに対する因果性解析II (2018)
  • Author(s): 岩崎唯史，佐藤博文，大江紗，久下小百合，寺本孝行，徳永旭将，広瀬修，Stephen Wu, 豊島有， ジャン;ムンソン，吉田亮，飯野雄一，石原健
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] 線虫の味覚忌避学習に関わる神経の同定及び神経機能の解析 (2018)
  • Author(s): Jang MoonSun, 豊島有、國友博文、飯野雄一
  • Organizer: 日本動物学会第89回札幌大会
• [Presentation] 線虫の頭部全神経のイメージングによる神経回路の動態解析 (2018)
  • Author(s): 飯野 雄一, 豊島 有, Stephen Wu, 佐藤 博文, Jang Moon-Sun, 金森 真奈美, 大江 紗, 村上 悠子, 久下 小百合, 広瀬 修, 徳永 旭将, 寺本 孝行, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 石原 健
  • Organizer: 日本動物学会第89回札幌大会
  • Invited
• [Presentation] Bio-image informatics for whole-brain activity imaging of C. elegans (2018)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Manami Kanamori, Takayuki Teramoto, Moon-Sun Jang, Hirofumi Sato, Suzu Oe, Yuko Murakami, Ken Sato, Sayuri Kuge, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会
• [Presentation] 線虫の全脳イメージングとその解析 (2018)
  • Author(s): 石原健、豊島有、大江紗、ウー・ステファン、村上悠子、徳永旭将、金森真奈美、岩崎唯史、寺本孝行、ジャン・ムンソン、佐藤博文、吉田亮、飯野雄一
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会
• [Presentation] Robustness of synaptic pathway and signaling pathway estimated from the whole-brain activity data in C. elegans (2018)
  • Author(s): 岩崎唯史，佐藤博文，大江紗，久下小百合，寺本孝行，徳永旭将，広瀬修，Stephen Wu, 豊島有， ジャン;ムンソン，吉田亮，飯野雄一，石原健
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会大会
• [Presentation] 塩走性行動中の線虫の全脳活動計測のための技術開発 (2018)
  • 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: 第3回新学術領域「生物ナビゲーションのシステム科学」若手合宿
• [Presentation] Observation and Analyses of the Dynamics of the Whole Head Nervous System in C. elegans (2018)
  • Author(s): Yuichi Iino, Yu Toyoshima, Stephen Wu, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Hirofumi Sato, Jang Moon-Sun, Manami Kanamori, Suzu Oe, Yuko Murakami, Takayuki Teramoto and Takeshi Ishihara
  • Organizer: 日本神経回路学会 第28回全国大会（JNNS2018）
• [Presentation] 線虫の連合学習の記憶に基づく行動スイッチング:中枢神経回路の活動可視化による解析 (2018)
  • Author(s): 大江紗, 村上悠子, 川原祐樹, 寺本孝行, 豊島有, 徳永旭将, Stephan Wu, 広瀬修, Jang Moon-Sun, 佐藤博文, 滝沢拓己, 久下小百合, 岩崎唯史, 吉田亮, 飯野雄一, 石原健
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Mechanisms of taste avoidance learning in the nematode C. elegans (2018)
  • Author(s): Moon-Sun Jang, Hirofumi Kunitomo, Yu Toyoshima, Masahiro Tomioka, Stephen Wu, Suzu Oe, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: The 17th International Symposium on Molecular and Neural Mechanisms of Taste and Olfactory Perception (ISMNTOP2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 4Dイメージングデータ内の密集した細胞核を正確に検出・追跡・定量する画像解析手法 (2018)
  • 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」平成29年度第二回班会議
• [Presentation] Neuronal signaling pathways estimated from whole-brain imaging data of C. elegans (2017)
  • Author(s): Yuishi Iwasaki, Takayuki Teramoto,,Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Stephen Wu, Yu Toyoshima, Moon Sun Jang, Ryo Yoshida, Yuichi Iino, Takeshi Ishihara
  • Organizer: 第19回国際生物物理学大会(IUPAB2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Labeling of active neural circuits by the calcium probe CaMPARI (2017)
  • Author(s): Keita Mori, Yu Toyoshima, Yuichi Iino
  • Organizer: 21st International Worm Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mathematical methods to analyze imaging data in the whole central nervous system: From noise reduction to causality detection (2017)
  • Author(s): Y. Iwasaki, T. Teramoto, S. Oe, T. Tokunaga, O. Hirose, S. Wu, Y. Toyoshima, M. S. Jang, R. Yoshida, Y. Iino, T. Ishihara
  • Organizer: 21st International Worm Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Identification of neurons and analysis of the neural circuit involved in the learned salt-avoidance behavior in C. elegans (2017)
  • Author(s): Moon-Sun Jang, Yu Toyoshima, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • Organizer: 21st International Worm Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analyses of the mechanisms of information processing controlling behavior by whole-brain imaging in C. elegans. (2017)
  • Author(s): Suzu Oe, Takayuki Teramoto, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Sayuri Kuge, Yuichi Iino, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara.
  • Organizer: 21st International Worm Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Whole neural network analysis of C. elegans using an automated image processing pipeline (2017)
  • Author(s): Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino, Ryo Yoshida
  • Organizer: 4th International Workshop on Quantitative Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 機能的全脳イメージングに必要な要素技術について (2017)
  • Author(s): 豊島 有, Stephen Wu, 滝沢 拓己, 佐藤 研, 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, 三上 秀治, 合田 圭介, 石原 健, 吉田亮, 飯野 雄一
  • Organizer: 新学術領域「レゾナンスバイオ」平成29年度班会議
• [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 (2017)
  • 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] Bio-image informatics for whole brain activity imaging of C. elegans (2017)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Hiroki Takizawa, Ken Sato, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Takayuki Teramoto, Moon-Sun Jang, Sayuri Kuge, Hideharu Mikami, Keisuke Goda, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: CREST symposium [COMPUTATIONAL PRNCIPLES OF THE NERVOUS SYSTEM]
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Bio-image informatics for whole brain activity imaging (2017)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Hiroki Takizawa, Ken Sato, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Takayuki Teramoto, Moon-Sun Jang, Sayuri Kuge, Hideharu Mikami, Keisuke Goda, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: 新学術領域「レゾナンスバイオ」若手の会 Joint Young Researchers' Meeting at Academia Sinica
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 線虫の全脳イメージングによる行動を制御する情報処理機構の解析 (2017)
  • Author(s): 大江紗, 勝目拓海, 寺本孝行, 豊島有, 徳永旭将, Wu Stephan, 広瀬修, Moon-Sun Jang, 佐藤博文, 滝沢拓己, 久下小百合, 岩崎唯史, 吉田亮, 飯野 雄一, 石原 健
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] 線虫の全中枢神経イメージングによる神経活動と感覚運動情報との関連解析 (2017)
  • Author(s): 飯野雄一, 豊島有, 寺本孝行, Wu Stephen, Moon-Sun Jang, 滝沢拓己, 徳永旭将, 佐藤博文, 広瀬修, 大江紗, 久下小百合, 岩崎唯史, 吉田亮, 石原健
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] 線虫の塩忌避学習による行動変化に関与する神経の同定及び神経回路の解析 (2017)
  • Author(s): ジャン ムン ソン, 豊島有, 國友博文, 飯野雄一
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] 神経グロビンによる知覚変化の情報処理機構 (2017)
  • Author(s): 小田 茂和, 豊島 有, デゥボノ マリオ
  • Organizer: 第55回日本生物物理学会大会
• [Presentation] 線虫のwhole-brainイメージングデータに関する因果性解析 (2017)
  • Author(s): Yuishi Iwasaki, Takayuki Teramoto,,Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Stephen Wu, Yu Toyoshima, Moon Sun Jang, Ryo Yoshida, Yuichi Iino, Takeshi Ishihara
  • Organizer: 第55回日本生物物理学会大会
• [Presentation] How taste preference is modulated in the nematode (2017)
  • Author(s): Yuichi Iino, Takashi Nagasima, Hirofumi Sato, Jang Moon-Sun, Suzu Oe), Yu Toyoshima, Masahiro Tomioka, Hirofumi Kunitomo, Stephen Wu, Ryo Yoshida, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara
  • Organizer: The 16th International Symposium on Molecular and Neural Mechanisms of Taste and Olfactory Perception
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 飯野研究室 研究内容
  • URL: http://molecular-ethology.bs.s.u-tokyo.ac.jp/labHP/J/JResearch/