行動の頑健性と柔軟性を制御する神経回路動態の可視化と機能制御

• Project Area: Brain information dynamics underlying multi-area interconnectivity and parallel processing
• Project/Area Number: 18H05135
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 石原 健 九州大学, 理学研究院, 教授 (10249948)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2019: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2018: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: 線虫 / 全脳イメージング / 機械学習 / カルシウムイメージング / 記憶の忘却 / 行動選択 / 統計解析

Outline of Annual Research Achievements

動物は、様々な情報を中枢神経回路において適切に処理することによって、刻々と変動する環境に適応している。本研究では、線虫をモデルとして、特定の刺激に対していつも同じ行動をとる（頑健性がある）場合と、確率的に行動を変化させる（柔軟な）場合とでどのように情報処理に違いがあるのかを明らかにすることを目的としている。
（１）細胞の同定をした全中枢神経細胞の個別の活動を元に、機械学習(random forest回帰）や統計的因果推定法（Convergent Cross Mapping CCM)を用いて、機能的な神経回路の推定を行った。因果関係にある神経細胞の組合せは、時間とともに変化するが、その変化は、個体による組合せの違いと比べ大きくないことが分かった。
（２）スパースモデリング法の1つであるLASSOを用いて、頭部の全中枢神経細胞の活動のうち、線虫の動きを制御している神経活動を推定することを試みた。神経細胞の中には類似の活動をしているものもあるので、まずクラスタリングを行い、神経細胞を活動によって分類した。その上で、各グループの平均の活動を用いて、LASSOによりどのグループの神経活動が行動の制御に寄与しているのかを解析した。その結果、個体による違いはあるものの、寄与が大きいグループに共通に存在する神経細胞があるらしいことがわかった。
（３）少数の神経細胞の活動に基づいて、神経間の因果推定をCCMを用いて行ったところ、時間変化に比べて、個体間の違いが大きいことがわかった。さらに、同時に因果関係がある神経の組合せも調べると、さらに個体差が大きいことがわかった。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Neuron ID dataset facilitates neuronal annotation for whole-brain activity imaging of C. elegans (2020)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Suzu Oe, Yuko Murakami, Takayuki Teramoto, Chanhyun Park, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida & Yuichi Iino
  • Journal Title: BMC Biology Volume: 18 Issue: 1 Pages: 30-30
  • DOI: 10.1186/s12915-020-0745-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Environmental responsiveness of tubulin glutamylation in sensory cilia is regulated by the p38 MAPK pathway (2018)
  • Author(s): Kimura Y, Tsutsumi K, Konno A, Ikegami K, Hameed S, Kaneko T, Kaplan OI, Teramoto T, Fujiwara M, Ishihara T, Blacque OE, Setou M
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 8392-8392
  • DOI: 10.1038/s41598-018-26694-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Analyzing whole-brain dynamics of C. elegans with statistical approach (2019)
  • Author(s): Murakami Yuko, Suzu Oe, Motonari Ichinose, Takayuki Teramoto, Yu Toyoshima, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Wu Stephan, Jang Moon-Song, Hirofumi Sato, Sayuri Kuge, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Yuichi Iino, Takeshi Ishihara
  • Organizer: The 20th International Conference on Systems Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫の連合学習の記憶に基づく行動スイッチング:中枢神経回路活動可視化による解析 (2019)
  • Author(s): 大江 紗、村上 悠子、寺本 孝行、豊島 有、徳永 旭政、 Wu Stephan、広瀬 修、 Moon-Sun Jang、佐藤 博文、金森 真奈美、久下 小百合、岩崎 唯史、吉田 亮、飯野 雄一、石原 健
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 全脳カルシウムイメージングによる線虫の神経動態解析 (2019)
  • Author(s): 村上 悠子、大江 紗、寺本 孝行、豊島 有、徳永 旭政、Stephan Wu、広瀬 修、Jang Moon-Sun、佐藤 博文、金森 真奈美、久下 小百合、 岩崎 唯史、吉田 亮、飯野 雄一、石原 健
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 嗅覚応答にかかわる機能的神経回路の可塑性はいかにして行動を制御するのか (2019)
  • Author(s): 一ノ瀬 元成、村上 悠子、豊島 有、大江 紗、Stephen Wu、金森 真奈実、寺本 孝行、Moon-Sun Jang、佐藤 博文、吉田 亮、飯野 雄一、石原 健
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Whole-brain calcium imaging analyses of dynamics of neural network in C. elegans (2019)
  • Author(s): Murakami Yuko, Suzu Oe, Motonari Ichinose, Takayuki Teramoto, Yu Toyoshima, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Wu Stephan, Jang Moon-Song, Hirofumi Sato, Sayuri Kuge, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Yuichi Iino, Takeshi Ishihara
  • Organizer: 次世代脳プロジェクト2019年度冬のシンポジウム
• [Presentation] Gonadal maturation changes chemotaxis behavior and neural processing in the olfactory circuit through the function of a guanylyl cyclase, GCY-28. (2018)
  • Author(s): Manabi Fujiwara, Hiroshi wada, Takeshi Ishihara
  • Organizer: The 8th Asia Pacific C.elegans Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analyzing whole neural activities to elucidate the mechanisms underlying sensory integration (2018)
  • Author(s): Yuko Murakami, Suzu Oe, Kawahara Yuki, Takumi Katsume, Takayuki Teramoto, Yu Toyoshima, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Wu Stephan, Jang Moon-Song, Hirofumi Sato, Sayuri Kuge, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Yuichi Iino, Takeshi Ishihara
  • Organizer: The 8th Asia Pacific C.elegans Meeting
  • Int'l Joint Research
• [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、Stephan Wu、Song Jang Moon、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] Analyzing whole neural activities to elusidate the mechanisms underlying sensory integration (2018)
  • Author(s): Yuko Murakami, Suzu Oe, Takumi Katsume, Takayuki Teramoto, Yu Toyoshima, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Wu Stephan, Jang Moon-Song, Hirofumi Sato, Sayuri Kuge, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Yuichi Iino, Takeshi Ishihara
  • Organizer: Symposium on Systems Science of Bio-Navigation 2018
• [Presentation] 線虫の全脳イメージングとその解析 (2018)
  • Author(s): 石原 健
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会
  • Invited
• [Remarks] 九州大学 分子遺伝学研究室のホームページへようこそ。
  • URL: http://www.biology.kyushu-u.ac.jp/~bunsiide/