多様な行動を適応的に創出する回路遷移機構のセンサスに基づく解明

• Project Area: Census-based biomechanism of circuit construction and transition for adaptive brain functions
• Project/Area Number: 22H05487
• 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): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000); Fiscal Year 2023: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• Keywords: ショウジョウバエ / 運動回路 / 行動選択 / カルシウムイメージング / センサス

Outline of Research at the Start

本研究ではショウジョウバエ幼虫が状況に応じて前進と後退という逆方向の移動運動を切り替える系をモデルとして、適応的な脳機能を生む回路遷移機構を探る。これまでに、感覚入力を受け前進/後退運動を司令するWaveニューロンと、前進/後退の運動出力を担う神経回路を明らかにすることに成功している。本研究では両者の間に存在し、回路遷移において決定的な役割を果たすような候補細胞を、１）活動依存的に色変換する蛍光タンパク質CaMPARI2による標識・単離と単一細胞RNA-seqによる比較遺伝子プロファイリング、２）膨張試料顕微鏡法を用いたカルシウムイメージング試料における細胞同定、により同定することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

外界との相互作用のなかで生存に適した行動を選択することは、脳神経系の最も重要な機能である。本研究ではショウジョウバエ幼虫において、行動選択時に活動する細胞を系統的にプロファイリングすることで適応機能を生む回路遷移の仕組みを探った。このため、幼虫が状況に応じて前進と後退という逆方向の移動運動を切り替える系をモデルとした以下の２つの計画を進めた。
（計画1）活動依存的標識と遺伝子プロファイリングによる同定：単離標本においてWaveの光活性化により前進、後退運動が起こる際に活動する細胞を、活動依存的に色変換する蛍光タンパク質CaMPARI2を用いて標識、単離し、単一細胞RNA-seq解析により各細胞の遺伝子プロファイルを得、さらに前進/後退間の比較解析により、それぞれの行動において選択的に活動する細胞を同定することを目指した。今年度は、低温プロテアーゼを用いて脳組織を単細胞に解離するプロトコルを確立した。また小規模な予備的実験においてセルソーターを用いた赤色標識細胞の分離にも成功した。今後、規模を拡大した標識細胞の分離を行いRNA-seq解析へと進める予定である。
（計画2）系統的カルシウムイメージングと膨張試料顕微鏡法による同定：疎らな発現を誘導する36 個のGAL4 系統を用いて様々な神経細胞のサブセットでカルシウムプローブGCaMPを発現し、カルシウムイメージングを行うことで、前進あるいは後退時に選択的に活動する細胞を検索した。その結果、前進運動で選択的に活動する神経細胞を見つけることができたが、その後の解析により、この標的神経細胞は、既知の前進運動選択的な細胞A18b3(CLI1)であることがわかった。この結果は、本アプローチの有効性を示すもので、今後さらに系統探索を進めることで新規細胞を同定することができると期待される。

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

• [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/