神経回路における多重情報コードの情報物理学的解析

• Project Area: Information physics of living matters
• Project/Area Number: 22H04838
• 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), 准教授 (10632341)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: システム神経科学 / 線虫 / 行動 / 神経活動 / 数理モデル化

Outline of Research at the Start

脳・神経系は生物の持つ最も複雑な情報処理機構であり、その情報処理のしくみを明らかにすることは神経科学の究極の目標の一つである。線虫は全神経細胞とその接続が同定済みのモデル生物である。化学走性行動中の線虫の神経活動を測定し、非線形力学など数理的・物理的な視点から解析することで、神経回路の情報処理のしくみを、システムのレベルで明らかにすることをめざす。

Outline of Annual Research Achievements

脳・神経系は生物の持つ最も複雑な情報処理機構であり、その情報処理のしくみを明らかにすることは神経科学の究極の目標の一つである。線虫は全神経細胞とその接続が同定済みの唯一の生物である。行動中の神経活動を測定し、非線形力学など数理的・物理的な視点から解析することで、神経回路の情報処理のしくみを、システムのレベルで明らかにすることをめざす。
線虫の塩走性行動においては、進行方向およびそれに垂直な方向への塩濃度の勾配を同一神経細胞の活動の時間変化により検出しているにも関わらず、各々の方向の濃度情報を区別して質的に異なるふたつの走性機構を使い分けている。本研究では特に、周波数フィルタなどの神経回路の応答特性によりこれらの走性機構が使い分けられている可能性について、回路のダイナミクスの観点から解析することを目指した。

本年度は、昨年度に引き続き、行動中の線虫の神経活動の観察を行い、代表者らが見出したSMB運動神経の位相応答特性を検証した。データ点数が増えたことで、ガウス過程回帰により定量的な比較が可能になった。また昨年度までに作成した数理モデルによって、風見鶏機構とよばれる走性機構が説明できることを示した。これらの研究結果をまとめた論文はPNAS誌に受理された(Matsumoto et al., 2024)。さらに、塩走性行動中の神経活動を観察する実験系を立ち上げて、塩を感知するASER感覚神経や下流のAIB介在神経の活動を試験的に計測し、行動との関係の検証を進めている。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Neuronal sensorimotor integration guiding salt concentration navigation in Caenorhabditis elegans (2024)
  • Author(s): Matsumoto, A., Toyoshima, Y., Zhang, C., Isozaki, A., Goda, K., and Iino, Y.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 121 Issue: 5
  • DOI: 10.1073/pnas.2310735121
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ensemble dynamics and information flow deduction from whole-brain imaging data (2024)
  • Author(s): Toyoshima, Y., Sato, H., Nagata, D., Kanamori, M., Jang, M.S., Kuze, K., Oe, S., Teramoto, T., Iwasaki, Y., Yoshida, R., Ishihara, T., Iino, Y.
  • Journal Title: PLOS Computational Biology Volume: 20 Issue: 3 Pages: e1011848-e1011848
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1011848
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] WormTensor: a clustering method for time-series whole-brain activity data from C. elegans (2023)
  • Author(s): Tsuyuzaki, K., Yamamoto, K., Toyoshima, Y., Sato, H., Kanamori, M., Teramoto, T., Ishihara, T., Iino, Y., and Nikaido, I.
  • Journal Title: BMC Bioinformatics Volume: 24 Issue: 1 Pages: 254-254
  • DOI: 10.1186/s12859-023-05230-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] WormTracer: A precise method for worm posture analysis using temporal continuity (2023)
  • Author(s): Kuze Koyo、Tazawa Ukyo T.、Suwazono Karin、Toyoshima Yu、Iino Yuichi
  • Journal Title: biorxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2023.12.11.571048
  • Open Access
• [Journal Article] Different modes of stimuli delivery elicit changes in glutamate driven, experience-dependent interneuron response in C. elegans (2023)
  • Author(s): Mabardi Llian、Sato Hirofumi、Toyoshima Yu、Iino Yuichi、Kunitomo Hirofumi
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: 186 Pages: 33-42
  • DOI: 10.1016/j.neures.2022.10.004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Deducing ensemble dynamics and information flow from the whole-brain imaging data (2022)
  • Author(s): Toyoshima Yu、Sato Hirofumi、Nagata Daiki、Kanamori Manami、Jang Moon Sun、Kuze Koyo、Oe Suzu、Teramoto Takayuki、Iwasaki Yuishi、Yoshida Ryo、Ishihara Takeshi、Iino Yuichi
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2022.11.18.517011
  • Open Access
• [Presentation] 線虫の神経回路における多重情報コードの情報物理学的解析 (2024)
  • Author(s): 豊島 有
  • Organizer: 新学術領域「生命の情報物理学」第8回領域会議
• [Presentation] Yu Toyoshima, Ayaka Matsumoto, Yuichi Iino (2023)
  • Author(s): Analyisis of multiplexed information coding in the nervous system of C. elegans
  • Organizer: 第75回日本細胞生物学会大会
  • Invited
• [Presentation] Whole brain activity measurement and gene expression analysis of neurons in Caenorhabditis elegans (2023)
  • Author(s): Yu Toyoshima
  • Organizer: The 1st JST International Symposium “Dynamics of Cellular Interactions in Multicellular Systems”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 線虫の神経回路における多重情報コードの情報物理学的解析 (2023)
  • Author(s): 豊島 有
  • Organizer: 新学術領域「生命の情報物理学」第7回領域会議
• [Presentation] 線虫の神経回路における多重情報コードの情報物理学的解析 (2023)
  • Author(s): 豊島 有
  • Organizer: 新学術領域「生命の情報物理学」第6回領域会議
• [Presentation] Imaging and analyzing whole brain activity of C. elegans (2022)
  • Author(s): Yu Toyoshima
  • Organizer: CREST Rising Star seminar
• [Presentation] Analyisis of multiplexed information coding in the nervous system of C. elegans (2022)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Ayaka Matsumoto, Yuichi Iino
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 線虫の神経回路における多重情報コードの情報物理学的解析 (2022)
  • Author(s): 豊島 有
  • Organizer: 新学術領域「生命の情報物理学」第5回領域会議
• [Presentation] 線虫の機能的全脳イメージング: 神経回路の情報処理の理解を目指して (2022)
  • Author(s): 豊島 有
  • Organizer: UBI meeting
  • Invited
• [Presentation] Investigating how worms integrate sensory and motor information in salt klinotaxis (2022)
  • Author(s): Ayaka Matsumoto, Chenqi Zhang, Akihiro Isozaki, Keisuke Goda, Yu Toyoshima, Yuichi Iino
  • Organizer: CeNeuro2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 自由に行動する線虫の全脳活動の計測と解析 (2022)
  • Author(s): 豊島 有、 久世晃暢、田澤右京、永田大貴、金森 真奈美, 佐藤 博文, 石原 健, 飯野 雄一
  • Organizer: 第45回 日本分子生物学会年会
• [Remarks] 豊島研究室 ウェブサイト
  • URL: https://www.bs.s.u-tokyo.ac.jp/~toyoshimalab/
• [Remarks] 飯野研究室 ウェブサイト
  • URL: http://molecular-ethology.bs.s.u-tokyo.ac.jp/labHP/J/JTop.html