ナビ行動を生み出す神経情報処理の自由行動4Dイメージングによる解析

• Project Area: Systems Science of Bio-navigation
• Project/Area Number: 19H04928
• 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): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000); Fiscal Year 2020: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2019: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• 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 Research at the Start

動物のナビゲーション行動は、外界の環境を感知し、必要な情報を取捨選択し、行動として出力するという入出力関係が明確であり、神経回路における情報処理のしくみを明らかにするうえで優れた系である。本研究では、代表者がこれまで開発してきた顕微鏡や画像解析・時系列解析の技術を活用し、線虫の全脳イメージングを通じて、実際の神経回路における情報処理の仕組みを明らかにすることを目指す。

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に加えて、機械学習等による特徴抽出や時系列予測技術などを活用して、神経活動や行動を解釈する枠組みを構築することを目指す。

2020年度は、ナビゲーション行動中の線虫の全神経活動の観察を実現するため、前年度に引き続き、スピニングディスク型共焦点顕微鏡に自動追尾ステージを組み合わせる方式について検討を進めた。撮影方法および光学系について改良を重ねた結果、行動中の線虫を自動的に追尾しながら、線虫頭部の全神経を立体動画として撮影することに成功した。しかし撮影した立体動画から神経活動を抽出するためには既存の画像処理パイプラインの改良が必要であることがわかった。また行動中の線虫に対して光遺伝学的に摂動を与えて神経機能を検証するため、顕微鏡の光学系の改良を進めた。

また忌避刺激を感じる神経にチャネルロドプシンを発現させた線虫を用いて、光刺激を与えながら線虫の姿勢と行動を観察して定量化し、行動の数理モデル化を行った。MDN-RNNを用いた数理モデル化によって、線虫の前進と後退の切り替えなど、確率的な行動の変化が適切にモデリングできることがわかった。さらに強化学習の枠組みを利用して、光刺激のパターンを制御して、線虫を特定の場所へ誘導する方策を学習させた。強化学習によって得られた光刺激の方策は、塩走性行動におけるピルエット機構と同様の行動戦略を生じさせると考えられ、強化学習によって行動戦略を自動的に発見できる可能性が示唆された。本研究の成果は現在論文投稿中である(森ら)。

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

• [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] Multiple Sensory Neurons Mediate Starvation-Dependent Aversive Navigation in Caenorhabditis elegans (2019)
  • Author(s): Jang MS, Toyoshima Y, Tomioka M, Kunitomo H, Iino Y.
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci U S A . Volume: 116 Issue: 37 Pages: 18673-18683
  • DOI: 10.1073/pnas.1821716116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ナビ行動を生み出す神経情報処理の自由行動4Dイメージングによる解析 (2020)
  • 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」2020年度領域会議
• [Presentation] Artificial neural networks predict whole-brain neural activity of C. elegans. (2020)
  • Author(s): Koyo Kuze, Yu Toyoshima, Yuichi Iino
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 (MBSJ2020)
• [Presentation] Disentangling behavioral dynamics with MDN-RNN (2020)
  • Author(s): Keita Mori, Haoyu Wang, Naohiro Yamauchi, Yu Toyoshima, Yuichi Iino
  • Organizer: Learning Meaningful Representations of Life (LMRL)2020@NeurIPS2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Imaging and analyzing whole brain activity of C. elegans (2020)
  • Author(s): Yu Toyoshima
  • Organizer: 文部科学省新学術領域研究「人工知能と脳科学の対照と融合」カルシウムイメージング ワークショップ（Calcium Imaging Workshop）
  • Invited
• [Presentation] (Bio-image informatics for whole-brain activity imaging of C. elegans) (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima
  • Organizer: 22nd International Worm Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫全脳の機能的イメージングと動態解析 (2019)
  • Author(s): 豊島 有, Wu Stephen, 金森 真奈美, 佐藤 博文, Jang Moon Sun, 村上 悠子, 大江 紗, 徳永 旭将, 広瀬 修, 久下 小百合, 寺本 孝行, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 石原 健, 飯野 雄一
  • Organizer: 第44回レーザー顕微鏡研究会
  • Invited
• [Presentation] Exploring the origin of brain and central nervous system through monitoring the neural activity of the whole animal (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Hirofumi Sato, Manami Kanamori, Stephen Wu, Moon Sun Jang, Suzu Oe, Yuko Murakami, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会
• [Presentation] Bio-image informatics for whole brain activity imaging and analysis of neural activity of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 線虫全脳の機能的イメージングと動態解析 (2019)
  • Author(s): 豊島 有
  • Organizer: 第9回光科学異分野横断萌芽研究会
  • Invited
• [Presentation] Bio-image informatics for whole brain imaging and analysis of neural activity of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: Resonance Bio International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A pipeline of bio-image informatics for whole-brain imaging of C. elegans and analysis of the neural activity (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: The 20th International Conference of Systems Biology
  • Int'l Joint Research