スクラップ＆ビルドを介した運動回路の経験依存的発達

• Project Area: Dynamic regulation of brain function by Scrap & Build system
• Project/Area Number: 19H04742
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 能瀬 聡直 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (30260037)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000); Fiscal Year 2020: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• Keywords: ショウジョウバエ / 神経回路発達 / 体性感覚 / 電気シナプス / 運動回路

Outline of Research at the Start

本研究では発生過程において運動経験の感覚フィードバックが中枢回路を再編成する過程を探る。このため、運動制御の諸要素を遺伝学的に解剖可能なショウジョウバエの胚・幼虫を用い、電気シナプスから化学シナプスへのスクラップ＆ビルドに着目した研究を行う。１）体性感覚のフィードバックが運動二次ニューロンA27hの電気シナプスの機能や生滅にどのように影響を与えるのか、２）体性感覚がどのようにして中枢パターン形成回路CPGの発達を制御するのか、を調べることで、体性感覚が電気シナプスから化学シナプスへのスクラップ＆ビルドをどのように制御することで、経験依存的な運動回路の構築を実現するのかを明らかにしたい。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では発生過程において運動経験の感覚フィードバックが中枢回路を再編成する過程を探ることを目的とした。このため、運動制御の諸要素を遺伝学的に解剖可能なショウジョウバエの胚・幼虫を用いた研究を行った。我々は以前の研究において体性感覚のフィードバックがＭ/Ａ27ｈ回路内の電気シナプスの形成を制御することで、運動回路の発達を制御していることを示した。Ｍ/Ａ27ｈ回路は腹部の各神経分節に存在するＭとＡ27ｈの2種類のニューロンから構成され、運動回路発生の初期から電気結合を介して同期活動していた。このことは、この回路が運動系の発生初期において自発的に筋肉を動かし、その結果生じる体性感覚のフィードバックを通じて自身の神経結合を制御することで、適切な運動回路を発達させるという可能性を示唆する。そこで本年度計画ではこの可能性を追求するために以下の研究を進め、以上の結果を論文とまとめ投稿した（Zeng et al., 2021)。
1)Ｍ/Ａ27ｈの自発的な活動を生む分子機構を探索した。RNAi法を用いて細胞自律的な活動を生ずるようなイオンチャンネル、シグナル伝達系などの候補分子の機能をＭ/Ａ27ｈ細胞特異的に阻害し、自発活動への影響を調べた。その結果、ＭニューロンはIP3受容体を介して細胞自身の小胞体からカルシウムを放出することによって、自発的な活動を生成していることが分かった。

2)IP3受容体の阻害によりMの自発活動がなくなったときに筋肉の活動や運動回路の発達にどのような影響がでるかを調べた。その結果、筋収縮の頻度が有意に減少し、さらに幼虫の運動が正常に発達しないことが分かった。以上の結果から、M/A27h回路は運動系の発生初期において自発的に筋肉を動かし、体性感覚のフィードバックを通じて自身の神経結合を制御することで、適切な運動回路を発達させることが示された。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Cambridge(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Washington(米国)
• [Int'l Joint Research] University of St Andrews(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Freiburg(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] University of Cambridge(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Washington(米国)
• [Int'l Joint Research] University of St Andrews(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Freiburg(ドイツ)
• [Journal Article] Regulation of coordinated muscular relaxation by a pattern-generating intersegmental circuit (2021)
  • Author(s): Hiramoto Atsuki、Jonaitis Julius、Niki Sawako、Kohsaka Hiroshi、Fetter Richard、Cardona Albert、Pulver Stefan、Nose Akinao
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2021.03.08.434356
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An Electrically-Coupled Pioneer Circuit Enables Motor Development Via Proprioceptive Feedback (2021)
  • Author(s): Zeng Xiangsunze、Kawasaki Tappei、Inada Kengo、Kazama Hokto、Nose Akinao
  • Journal Title: SSRN Electronic Journal Volume: －
  • DOI: 10.2139/ssrn.3787889
  • Open Access
• [Journal Article] Electrophysiological validation of premotor interneurons monosynaptically connected to the aCC motoneuron in the Drosophila larval CNS (2020)
  • Author(s): Giachello Carlo N. G.、Zarin Aref Arzan、Kohsaka Hiroshi、Fan Yuen Ngan、Nose Akinao、Landgraf Matthias、Baines Richard A.
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2020.06.17.156430
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A neuromechanical model and kinematic analyses for Drosophila larval crawling based on physical measurements (2020)
  • Author(s): Sun Xiyang、Liu Yingtao、Liu Chang、Mayumi Koichi、Ito Kohzo、Nose Akinao、Kohsaka Hiroshi
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2020.07.17.208611
  • Open Access
• [Journal Article] Interspecies variation of larval locomotion kinematics in the genusDrosophilaand its relation to habitat temperature (2020)
  • Author(s): Matsuo Yuji、Nose Akinao、Kohsaka Hiroshi
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2020.11.06.371120
  • Open Access
• [Journal Article] System level analysis of motor-related neural activities in larval Drosophila (2019)
  • Author(s): Yoon Youngteak、Park Jeonghyuk、Taniguchi Atsushi、Kohsaka Hiroshi、Nakae Ken、Nonaka Shigenori、Ishii Shin、Nose Akinao
  • Journal Title: Journal of Neurogenetics Volume: 33 Issue: 3 Pages: 179-189
  • DOI: 10.1080/01677063.2019.1605365
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Regulation of forward and backward locomotion through intersegmental feedback circuits in Drosophila larvae (2019)
  • Author(s): Kohsaka Hiroshi、Zwart Maarten F.、Fushiki Akira、Fetter Richard D.、Truman James W.、Cardona Albert、Nose Akinao
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Issue: 1 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1038/s41467-019-10695-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] A disinhibitory neural circuit for bending posterior segments in the initial phase of forward locomotion in Drosophila larvae (2020)
  • Author(s): Y. Liu, MF.Zwart, A. Nose, H. Kohsaka.
  • Organizer: CSHL meeting ”Molecular Mechanisms of Neuronal Connectivity (Virtual)”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A neuromechanical model and kinematic analyses for Drosophila larval crawling based on physical measurements (2020)
  • Author(s): X. Sun, C. Liu, K. Mayumi, K. Ito, A. Nose, H. Kohsaka
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] A modular structure underlying generation of distinct motor patterns revealed by multi-synapse functional imaging and high-dimensional data analysis (2020)
  • Author(s): K. Fukumasu, A. Nose, H. Kohsaka
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] Functional connectomics of motor circuits in Drosophila larvae (2019)
  • Author(s): Nose A
  • Organizer: Max Planck / HHMI Connectomics Conference Berlin 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Experience-driven development of motor circuits in Drosophila (2019)
  • Author(s): Zeng X, Kawasaki T, Inada K, Kazama H, Nose A
  • Organizer: 52th Annual Meeting of the Japanese Society of Developmental Biologists
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Embryonic development of the motor circuits in Drosophila: emergence of coordinated neural activities and the role of sensory feedback (2019)
  • Author(s): Zeng X, Kawasaki T, Inada K, Kazama H, Nose A
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 能瀬・高坂研究室
  • URL: http://bio.phys.s.u-tokyo.ac.jp/