マルチモーダル入力を適応的行動出力に収斂する脳情報動態の解明

• Project Area: Brain information dynamics underlying multi-area interconnectivity and parallel processing
• Project/Area Number: 20H05048
• 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: 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): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2021: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: ショウジョウバエ / コネクトミクス / マルチモーダル感覚統合 / 脳情報動態 / カルシウムイメージング

Outline of Research at the Start

本研究ではショウジョウバエ幼虫をモデルとして用い、マルチモーダル感覚統合の脳情報動態を理解することを目指す。幼虫は頭部に侵害刺激を受けると後退運動により逃避する。この逃避行動は、２つのモダリティ、視覚および触覚によって誘起される。これまでの研究において視覚刺激、触覚刺激から後退運動出力に至る神経経路をコネクトミクス解析により探索し、視覚、触覚の統合に関わるような回路の候補を見出している。本申請計画ではこの回路の機能、活動様式を解析することで、触覚、視覚の検知から行動出力にいたる信号の流れを明らかにし、マルチモーダル入力が適応的行動出力に収斂する脳情報動態を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

幼虫は頭部に侵害刺激を受けると後退運動により逃避する。この逃避行動は、２つのモダリティ、視覚および触覚によって誘起される。申請者らは以前の研究において視覚刺激、触覚刺激が後退運動を誘起する過程を制御するコマンドニューロンとして、a-WaveとBi-clusterをそれぞれ同定し、さらに両者に共通する下流細胞の候補BLT (Bilateral thoracic)ニューロンを同定した。本年度はBLTの機能を探るため、光遺伝学を用い自由行動中の幼虫においてBLT（および極少数の他のニューロン）を活性化し、前進運動の頻度が有意に減少することを見出した。一方、後退運動の誘導は起こらなかった。以上の結果は、BLTニューロンが前進運動実行回路の活動を抑制することで、後退運動の誘起を促進していることを示唆するものである。一方、昨年度計画においてBLT細胞とは独立に触覚や視覚の刺激を受けて後退運動を誘導するようなニューロンの候補を光遺伝学により探索し、機械刺激・青色光による後退運動の誘発に必要かつ十分なτニューロンを同定した。今年度はsybGRASP法を用いて上流・下流の細胞を探索し、τニューロンがwaveの直下にあり、かつ後退のコマンドニューロンであるMDNの直上に位置することを示唆する結果を得た。この結果はτニューロンも触覚、視覚情報を統合し後退運動を誘導する過程に関与することを支持するものである。以上のように本研究では触覚、視覚情報の統合に関わる複数の回路の存在を明らかにすることに成功した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3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/University of St Andrews(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Washington(米国)
• [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] Interspecies variation of larval locomotion kinematics in the genus Drosophila and its relation to habitat temperature (2021)
  • Author(s): Matsuo Yuji、Nose Akinao、Kohsaka Hiroshi
  • Journal Title: BMC Biology Volume: 19 Issue: 1 Pages: 1-21
  • DOI: 10.1186/s12915-021-01110-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An electrically coupled pioneer circuit enables motor development via proprioceptive feedback in Drosophila embryos (2021)
  • Author(s): Zeng Xiangsunze、Komanome Yuko、Kawasaki Tappei、Inada Kengo、Jonaitis Julius、Pulver Stefan R.、Kazama Hokto、Nose Akinao
  • Journal Title: Current Biology Volume: 31 Issue: 23 Pages: 5327-5340
  • DOI: 10.1016/j.cub.2021.10.005
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Extraction of bouton-like structures from neuropil calcium imaging data (2021)
  • Author(s): Fukumasu Kazushi、Nose Akinao、Kohsaka Hiroshi
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2021.05.28.445372
  • Open Access
• [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
• [Presentation] Spatial configuration of synaptic population activities underlying the generation of larval motor patterns (2021)
  • Author(s): Kazushi Fukumasu, Akinao Nose, Hiroshi Kohsaka
  • Organizer: Neurobiology of Drosophila
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantitative analysis of Drosophila larval locomotion based on machine vision (2021)
  • Author(s): Xu Zhang, Takeshi Awasaki, Akinao Nose,Hiroshi Kohsaka
  • Organizer: Neurogenetics of the Drosophila larva 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reconstructing single-neuronal morphology from pan-neuronally labeled samples with Expansion Microscopy (2021)
  • Author(s): Takahisa Date, Akinao Nose, Hiroshi Kohsaka
  • Organizer: Neurogenetics of the Drosophila larva 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spatially continuous propagation of synapse population activity and its geometric structure in motor pattern generating circuits (2021)
  • Author(s): Kazushi Fukumasu, Akinao Nose, Hiroshi Kohsaka
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] Spatial configuration of synapse population activities underlying the generation of larval motor patterns (2021)
  • Author(s): Kazushi Fukumasu, Akinao Nose, Hiroshi Kohsaka
  • Organizer: 第14回日本ショウジョウバエ研究集会
• [Presentation] Quantitative analysis of Drosophila larval locomotion based on machine vision (2021)
  • Author(s): Xu Zhang, Takeshi Awasaki, Akinao Nose,Hiroshi Kohsaka
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [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
• [Remarks] 能瀬研究室
  • URL: http://bio.phys.s.u-tokyo.ac.jp/
• [Remarks] 能瀬・高坂研究室
  • URL: http://bio.phys.s.u-tokyo.ac.jp/