運動経験に依存した中枢回路再編成の臨界期の解明

• Project Area: Inducing lifelong plasticity (iPlasticity) by brain rejuvenation: elucidation and manipulation of critical period mechanisms
• Project/Area Number: 21H05675
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• 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): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2022: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: ショウジョウバエ / 臨界期 / 自発活動 / 運動回路 / 電気シナプス

Outline of Research at the Start

動物は自身が生み出す運動の結果を常にモニターし、その成否に照らして神経回路を再編成することで、柔軟かつ適切な運動制御を可能とする。本研究では経験依存的な運動回路発達の臨界期をショウジョウバエ幼虫をモデルとして探る。これまでに胚発生過程における運動経験が機能的な運動回路の発達に必須であることを示し、また運動経験の感覚フィードバックの作用を受けて機能を発現し運動回路発達の足場として働くような電気シナプス依存性の神経回路を同定している。本研究では、この足場回路が感覚フィードバックを介して化学シナプス依存性の完成回路に再編成される過程を解明するとともに、その臨界期制御の分子機構を探る。

Outline of Annual Research Achievements

動物は自身が生み出す運動の結果を常にモニターし、その成否に照らして神経回路を再編成することで、柔軟かつ適切な運動制御を可能とする。発生・発達期に特に顕著なこの可塑性は動物が適応的な行動を実現するのに必須の機構だがその仕組みは不明である。本研究ではショウジョウバエ幼虫をモデルとしてこの問題に迫ることを目的とした。以前の研究により運動経験の感覚フィードバックの作用を受けて機能を発現し運動回路発達の足場として働くような電気シナプス依存性の神経回路を同定している。この足場回路は脊髄の各分節に存在する２ペアのニューロン（A27hおよびMニューロン）からなり、体節間をつなぎ運動ニューロンを順次活性化するような構造をもつ。足場回路は運動回路形成の最初期からIP3シグナリング依存的な自発活動を示すが、この自発活動を阻害すると胚の自発的筋収縮が損なわれることから、足場回路は自発活動により筋収縮を誘導し、その結果起こる感覚フィードバックにより自身のGJを誘導するという自己構築の仕組みが明らかになった。昨年度計画においてはこの回路再編過程の臨界期の同定と操作を試みた。その結果、胚発生後期の特定の時期における足場回路の自発活動およびGJの機能が運動回路の正常な発生に必須であることを示した。本年度は逆に光遺伝学を用いて上記の臨界期において足場回路の活動を強制的に亢進したときに、運動回路の発達に変化が起こるかを調べた。２つのパターン (1Hz、100msおよび0.125Hz、4秒)のパルス状の光刺激により足場回路を強制的に活性化したところ、いずれの場合も孵化直後の幼虫の蠕動運動が有意に遅くなることが観察された。以上の結果から、臨界期における足場回路の活動の阻害、過剰活性化が共に正常な運動回路発達を阻害することが示され、この回路の活動が適切に制御されることの重要性が明らかとなった。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4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 Cambridge/University of St Andrews(英国)
• [Journal Article] A vacuum-actuated soft robot inspired by Drosophila larvae to study kinetics of crawling behaviour (2023)
  • Author(s): Sun Xiyang、Nose Akinao、Kohsaka Hiroshi
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 18 Issue: 4 Pages: 1-18
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0283316
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Synchronous multi-segmental activity between metachronal waves controls locomotion speed in Drosophila larvae (2023)
  • Author(s): Liu Yingtao、Hasegawa Eri、Nose Akinao、Zwart Maarten F、Kohsaka Hiroshi
  • Journal Title: eLife Volume: 12
  • DOI: 10.7554/elife.83328
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Segment-specific axon guidance by Wnt/Fz signaling diversifies motor commands in Drosophila larvae (2023)
  • Author(s): Takagi Suguru、Takano Shiina、Hashimoto Yusaku、Morise Shu、Zeng Xiangsunze、Nose Akinao
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2023.09.05.555126
  • Open Access
• [Journal Article] Electrophysiological Validation of Monosynaptic Connectivity between Premotor Interneurons and the aCC Motoneuron in the Drosophila Larval CNS (2022)
  • Author(s): Giachello Carlo N. G.、Hunter Iain、Pettini Tom、Coulson Bramwell、Knufer Athene、Cachero Sebastian、Winding Michael、Arzan Zarin Aref、Kohsaka Hiroshi、Fan Yuen Ngan、Nose Akinao、Landgraf Matthias、Baines Richard A.
  • Journal Title: The Journal of Neuroscience Volume: 42 Issue: 35 Pages: 6724-6738
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2463-21.2022
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A neuromechanical model for Drosophila larval crawling based on physical measurements (2022)
  • Author(s): Sun Xiyang、Liu Yingtao、Liu Chang、Mayumi Koichi、Ito Kohzo、Nose Akinao、Kohsaka Hiroshi
  • Journal Title: BMC Biology Volume: 20 Issue: 1 Pages: 130-130
  • DOI: 10.1186/s12915-022-01336-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparative analysis of high- and low-level deep learning approaches in microsatellite instability prediction (2022)
  • Author(s): Park Jeonghyuk、Chung Yul Ri、Nose Akinao
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 12218-12218
  • DOI: 10.1038/s41598-022-16283-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Extraction of bouton-like structures from neuropil calcium imaging data (2022)
  • Author(s): Fukumasu Kazushi、Nose Akinao、Kohsaka Hiroshi
  • Journal Title: Neural Networks Volume: 156 Pages: 218-238
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2022.09.033
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Transient suppression of tonically active neurons gates motor output in Drosophila larval crawling (2024)
  • Author(s): Date Takahisa、Liu Yingtao、Yamaguchi Akihiro、Rui Wu、Paul McNulty、Marc Gershow、Maarten Zwart、Nose Akinao、Kohsaka Hiroshi
  • Organizer: Asia Pacific Drosophila Neurobiology Conference 3
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Identification of a novel interneuron that regulates forward wave propagation in Drosophila larvae (2024)
  • Author(s): Seki Takaki、Kohsaka Hiroshi、Nose Akinao
  • Organizer: Asia Pacific Drosophila Neurobiology Conference 3
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A tonically active neuron implicated in the maintenance of muscle relaxation in Drosophila larvae (2023)
  • Author(s): Date Takahisa、Liu Yingtao、Nose Akinao、Kohsaka Hiroshi
  • Organizer: Neurobiology of Drosophila 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Emergence of oscillatory motor activities in developing Drosophila embryos (2023)
  • Author(s): Zeng XiangSunZe、Komanome Yuko、Seki Takaki、Kazama Hokuto、Nose Akinao
  • Organizer: The 56th Annual Meeting of the Japanese Society of Developmental Biologists
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Two perpendicular stripe-wise structures in the neuropil involved in generation of Drosophila larval crawling behaviors (2023)
  • Author(s): Fukumasu Kazushi、Nose Akinao、Kohsaka Hiroshi
  • Organizer: 第46 回日本神経科学大会
• [Presentation] Revealing behavior-specific neuronal populations in Drosophila larvae with a photoconvertible calcium sensor (2023)
  • Author(s): Date Takahisa、Nose Akinao、Kohsaka Hiroshi
  • Organizer: 第46 回日本神経科学大会
• [Presentation] Mechanisms of neural circuit reorganization that enable coordinated movement (2023)
  • Author(s): Seki Takaki、Komanome Yuko、 Zeng XiangSunZe、Kohsaka Hiroshi、Nose Akinao
  • Organizer: 第46 回日本神経科学大会
• [Presentation] Spatiotemporal structure of synapse population activity in the motor circuits for crawling (2023)
  • Author(s): Fukumasu Kazushi、Nose Akinao、Kohsaka Hiroshi
  • Organizer: 第75回日本細胞生物学会大会
  • Invited
• [Presentation] Comprehensive characterization of behavior specific neurons in fruit fly larvae with a photoconvertible calcium sensor (2023)
  • Author(s): Takahisa Date, Akinao Nose, Hiroshi Kohsaka
  • Organizer: Adaptive Circuit Census (ACC) International Symposium 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular and cellular mechanisms underlying the emergence of spontaneous patterned activity crucial for motor development in Drosophila (2022)
  • Author(s): XiangSunZe Zeng, Yuko Komanome, Hokto Kazama, Akinao Nose
  • Organizer: NEURO2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Functional development of neural circuits that regulate animal behaviors (2022)
  • Author(s): Akinao Nose
  • Organizer: The Neurophysics of Locomotion
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Synchronous multi-segmental activity controls the speed of axial locomotion by modulating the interval between peristaltic waves in Drosophila larvae (2022)
  • Author(s): Yingtao Liu, Akinao Nose, Maarten Frans Zwart, Hiroshi Kohsaka
  • Organizer: SfN Neuroscience meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synchronous multi-segmental activity between metachronal waves controls the crawling speed in fly larvae (2022)
  • Author(s): Yingtao Liu, Akinao Nose, Maarten F Zwart, Hiroshi Kohsaka
  • Organizer: 第45 回日本分子生物学会年会(MBSJ2022)
  • Invited
• [Remarks] 能瀬研究室
  • URL: http://bio.phys.s.u-tokyo.ac.jp/