Analysis of Proto-Intelligence with Optical Voltage Measurement of Free-Swimming Paramecium in a Diorama Environment

• Project Area: Advanced mechanics of cell behavior shapes formal algorithm of protozoan smartness awoken in giorama conditions.
• Project/Area Number: 22H05698
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (IV)
• Research Institution: Tokushima Bunri University
• Principal Investigator: 冨永 貴志 徳島文理大学, 神経科学研究所, 教授 (20344046)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 膜電位感受性色素 / ゾウリムシ / 光計測 / カルシウム濃度測光 / 膜電位固定 / GCaMP / イメージング / 膜電位光計測 / 原生知能

Outline of Research at the Start

ゾウリムシは100年以上も動物行動のモデル生物として利用されており、「泳ぐ神経細胞」「泳ぐ受容体」として、その行動が、膜電位応答、細胞内信号伝達系の挙動でほぼ解析できる重要な一種の生物機械モデルである。これらの知見は、ゾウリムシの大きさを利用した膜電位固定を含む電気生理学に裏打ちされたものである。ところが近年、さらに詳細な行動解析から、この知見を超える行動制御の仕組みを持っていることが明らかになりつつある。膜電位の光学計測を用いて、自由行動下の、複数のゾウリムシの膜電位の同時読み出しを行うことを企画した。ゾウリムシが従来の生物機械的な理解を超える原生知能を持つこと、またその仕組を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

ゾウリムシは100年以上も動物行動のモデル生物として利用されている。特に1970年代以降は、「泳ぐ神経細胞」「泳ぐ受容体」として知られるようになった。この理由は、その行動が膜電位応答やカルシウムをはじめとする細胞内信号伝達系の挙動でほぼ解析できるからである。このため、ゾウリムシは重要な生物機械モデルとしての地位を確立した。これらの知見は、ゾウリムシの大きさを活かした二本刺しの膜電位固定技術による高精度な電気生理学的研究に裏打ちされている。しかし近年、さらに詳細な行動解析により、これまでの知見を超える知能ともいえる行動制御のメカニズムが明らかになりつつある。一方で、げっ歯類を中心とした脳研究からは、ヒトを含む高等動物とは異なる種類の知能を持つ生物モデルの研究が重視されている。
私は膜電位イメージングという手法を用いて、主に海馬の高次機能を研究している。この手法をゾウリムシに適用し、自由行動下で複数のゾウリムシの膜電位を同時に読み出すことを計画している。この研究を通じて、ゾウリムシが従来の生物機械的な理解を超える原生知能を持つこと、およびそのメカニズムを明らかにすることを目指している。
昨年度は、膜電位感受性色素を用いてゾウリムシを染色し、蛍光画像を膜電位計測用の光学系、撮像システムで撮影できることを確認した。また、カルシウム測光についても光計測が可能であることを確認した。この手法をさらに確実に行えるように計測環境を整備し、実際に時間変化を計測した。
これまでに、領域会議で2回の発表を行った。また、膜電流解析の論文を投稿準備中である。

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] Action of GABAB receptor on local network oscillation in somatosensory cortex of oral part: focusing on NMDA receptor (2024)
  • Author(s): Hiroyuki Kanayama,Takashi Tominaga,Yoko Tominaga,Nobuo Kato,Hiroshi Yoshimura
  • Journal Title: The Journal of Physiological Sciences Volume: 74 Issue: 1 Pages: 16-16
  • DOI: 10.1186/s12576-024-00911-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Decreases in the number of microglia and neural circuit dysfunction elicited by developmental exposure to neonicotinoid pesticides in mice (2024)
  • Author(s): Kaede Namba,Takashi Tominaga,Yasuhiro Ishihara
  • Journal Title: Environmental Toxicology Volume: 2024 Issue: 7 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1002/tox.24263
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Alternative strategy for driving voltage-oscillator in neocortex of rats (2023)
  • Author(s): Takako Fukuda,Takashi Tominaga,Yoko Tominaga,Hiroyuki Kanayama,Nobuo Kato,Hiroshi Yoshimura
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: 191 Pages: 28-37
  • DOI: 10.1016/j.neures.2023.01.002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Assessing seizure liability in vitro with voltage-sensitive dye imaging in mouse hippocampal slices (2023)
  • Author(s): Yuichi Utsumi,Makiko Taketoshi,Michiko Miwa,Yoko Tominaga,Takashi Tominaga
  • Journal Title: Frontiers in Cellular Neuroscience Volume: 17 Pages: 1217368-1217368
  • DOI: 10.3389/fncel.2023.1217368
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of early-life tosufloxacin tosilate hydrate administration on growth rate, neurobehavior, and gut microbiota at adulthood in male mice (2023)
  • Author(s): Hasegawa A, Sasaki T, Islam J, Tominaga T, Nochi T, Hara K, Tanemura K.
  • Journal Title: The Journal of Toxicological Sciences Volume: 48 Issue: 3 Pages: 149-159
  • DOI: 10.2131/jts.48.149
  • ISSN: 0388-1350, 1880-3989
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Exposure to bisphenol A or its phenolic analogs during early life induces different types of anxiety-like behaviors after maturity in male mice (2023)
  • Author(s): Sasaki T, Saito H, Furukawa Y, Tominaga T, Kitajima S, Kanno J, Tanemura K.
  • Journal Title: The Journal of Toxicological Sciences Volume: 48 Issue: 4 Pages: 211-219
  • DOI: 10.2131/jts.48.211
  • ISSN: 0388-1350, 1880-3989
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Functional Dissection of Ipsilateral and Contralateral Neural Activity Propagation Using Voltage-Sensitive Dye Imaging in Mouse Prefrontal Cortex (2023)
  • Author(s): Pooja Gusain,Makiko Taketoshi,Yoko Tominaga,Takashi Tominaga
  • Journal Title: eneuro Volume: 10 Issue: 12 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1523/eneuro.0161-23.2023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] RNA interference reveals the escape response mechanism of <i>Paramecium</i> to mechanical stimulation (2023)
  • Author(s): Manabu Hori,Takashi Tominaga,Masaki Ishida,Mutsumi Kawano
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 20 Issue: 2 Pages: n/a
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v20.0025
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Stable wide-field voltage imaging for observing neuronal plasticity at the neuronal network level (2023)
  • Author(s): Tominaga T, Kajiwara R, Tominaga Y
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 20 Issue: 1 Pages: n/a
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v20.0015
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regulation Mechanism of Escape Response to Mechanical Stimulation in Paramecium (2022)
  • Author(s): 掘学,石田正樹,冨永貴志
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 62 Issue: 2 Pages: 114-115
  • DOI: 10.2142/biophys.62.114
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A CCR5 antagonist, maraviroc, alleviates neural circuit dysfunction and behavioral disorders induced by prenatal valproate exposure (2022)
  • Author(s): Yasuhiro Ishihara, Tatsuya Honda, Nami Ishihara, Kaede Namba, Makiko Taketoshi, Yoko Tominaga, Mayumi Tsuji, Christoph F. A. Vogel, Takeshi Yamazaki, Kouichi Itoh & Takashi Tominaga
  • Journal Title: JOURNAL OF NEUROINFLAMMATION Volume: 19 Issue: 1 Pages: 195-195
  • DOI: 10.1186/s12974-022-02559-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Light scattering along with postsynaptic membrane potential changes as the plausible cause of the fast intrinsic optical signal (FIOS) from label-free mice hippocampal slices. (2023)
  • Author(s): *Y. TOMINAGA, M. KOIKE-TANI, T. TANI, T. TOMINAGA
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Voltage-sensitive dye imaging reveals disrupted interhemispheric communication in a cuprizone-induced demyelination mouse model of multiple sclerosis. (2023)
  • Author(s): *K. TSUKUDA, M. MIWA, M. TAKETOSHI, Y. TOMINAGA, K. NAKASHIMA, T. TOMINAGA
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigating the role of the CA2 area in seizure propagation with a voltage-sensitive dye (VSD)-based assay in hippocampal slices: The effects of seizurogenic drugs. (2023)
  • Author(s): *Y. UTSUMI, M. TAKETOSHI, Y. TOMINAGA, T. TOMINAGA
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 海馬スライスのVSD（voltage-sensitive dye）アッセイを用いた痙攣発作感受性におけるCA2野の機能解析：痙攣発作誘発薬の効果 (2023)
  • Author(s): 内海 雄一, 竹歳 麻紀子, 冨永 洋子, 冨永 貴志
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] ビスフェノールAおよびそのフェノール類縁体の発達期曝露は性質の異なる不安様行動を惹起する (2023)
  • Author(s): 佐々木 貴煕, 齊藤 洋克, 古川 佑介, 冨永 貴志, 北嶋 聡, 菅野 純, 種村 健太郎
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] 老齢マウスにおける電気刺激に対する海馬の回路異常と脳内炎症の亢進：VSD研究 (2023)
  • Author(s): 佃 京華, 竹歳 麻紀子, 冨永 洋子, 中島 健太郎, 冨永 貴志
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] C57BL/6マウスの発達段階に応じた社会的新奇性探索行動解析 (2023)
  • Author(s): 岩岡 みほり, 斎藤 雄輝, 井出 悠也, 冨永 貴志, 梶原 利一
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] シナプス後神経活動の非標識測定法としてのFast Intrinsic Optical Signal (FIOS)の可能性を探る：海馬スライス標本計測 (2023)
  • Author(s): 冨永 洋子, 谷（小池） 真紀, 谷 知己, 冨永 貴志
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会
• [Presentation] 神経回路機能のVSD イメージング：発生発達期の化学物質曝露の影響を評価するための課題と今後の方向性 (2023)
  • Author(s): 冨永 貴志
  • Organizer: 第50回日本毒性学会学術年会
• [Presentation] 膜電位イメージングとその応用 (2023)
  • Author(s): 冨永 貴志, 冨永 洋子
  • Organizer: 第14回日本生物物理学会中国四国支部会
• [Presentation] 海馬における後シナプス神経活動の非標識測定法としての高速内因性信号(FIOS)の可能性を探る (2023)
  • Author(s): 冨永 洋子, 冨永 貴志
  • Organizer: 第14回日本生物物理学会中国四国支部会
• [Presentation] Comprehensive visualization of large-scale neural circuits in mouse brain slices using voltage- sensitive dye (VSD) imaging (2023)
  • Author(s): Kyoka Tsukuda, Kaho Yokoyama, Yuichi Fukuyoshi, Makiko Taketoshi, Yoko Tominaga, Takashi Tominaga
  • Organizer: 第14回日本生物物理学会中国四国支部会
• [Presentation] Heterogeneous ipsilateral cortical excitation spread and contralateral activation of the mouse prefrontal cortex imaged with voltage-sensitive dye. (2022)
  • Author(s): T. TOMINAGA, P. GUSAIN, M. TAKETOSHI, Y. TOMINAGA
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Behavioral disorders and expression changes of the tyrosine hydroxylase in Cuprizone-induced neuroinflammation mouse model with schizophrenia-like symptoms (2022)
  • Author(s): K. TSUKUDA, T. KUBOTA, A. CHIBA, T. TOMINAGA, Y. KISHIMOTO, K. NAKASHIMA
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comprehensive in vitro analysis of the seizurogenic drugs using voltage-sensitive dye imaging (VSDI) in broad areas around the hippocampal system. (2022)
  • Author(s): Y. UTSUMI, M. TAKETOSHI, M. MIWA, Y. TOMINAGA, T. TOMINAGA
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 4.Voltage-sensitive dye imaging of brain slices: quantification of multiple samples and survey of single-time events. (2022)
  • Author(s): Takashi Tominaga
  • Organizer: Merocyanine 540 and FlaSh Celebration
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A fast intrinsic optical signal (FIOS) from an unstained hippocampal slice is a novel kind of postsynaptic optical signal: comparison with the voltage-sensitive dye signal. (2022)
  • Author(s): Tominaga, Y., Tominaga, T
  • Organizer: Merocyanine 541 and FlaSh Celebration
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Analysis of neural activity propagation in the mouse prefrontal cortex using comprehensive quantitative optical recording: VSD study (2022)
  • Author(s): Takashi Tominaga, Pooja Gusain, Makiko Taketoshi, Yoko Tominaga
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] ゾウリムシの電位感受性Caチャネルのホジキンハクスレー型の解析 (2022)
  • Author(s): 冨永貴志、冨永洋子
  • Organizer: 日本動物学会
• [Presentation] 電位感受性色素（VSD)イメージングによる海馬スライスへのビスフェノールA関連物質の急性適用の影響の検出 (2022)
  • Author(s): 冨永 洋子、竹歳 麻紀子、種村 健太郎、冨永 貴志
  • Organizer: NEURO2022(第45回日本神経科学大会、第65回日本神経化学大会、第32回日本神経回路学会）
• [Presentation] 海馬周辺領域における電圧感受性色素イメージング（VSDI）を用いたin vitro痙攣リスク評価法の開発 (2022)
  • Author(s): 内海 雄一1,2、竹歳 麻紀子2、三輪 倫子3、冨永 洋子2、冨永 貴志
  • Organizer: NEURO2022(第45回日本神経科学大会、第65回日本神経化学大会、第33回日本神経回路学会）
• [Presentation] バクロフェンはラット体性感覚野におけるカフェイン依存性神経オシレーションを弱化する (2022)
  • Author(s): 金山 宏幸1,2、福田 嵩子1、冨永 貴志3、冨永 洋子3、加藤 伸郎4、吉村 弘
  • Organizer: NEURO2022(第45回日本神経科学大会、第65回日本神経化学大会、第34回日本神経回路学会）
• [Presentation] シナプス形成抑制因子ＭＤＧＡ１/２の欠失は対蹠的な興奮/抑制バランス偏移と行動異常を引き起こすが、成年期の薬剤投与により回復できる (2022)
  • Author(s): 山本 融1、尾嶋 大喜1、多田 篤史1、窪田 剛志2、_橋 弘雄1、冨永 貴志2、岸本 泰司
  • Organizer: NEURO2022(第45回日本神経科学大会、第65回日本神経化学大会、第35回日本神経回路学会）
• [Presentation] 幼若および成体マウスの新規物体認識行動と嗅皮質神経回路のin vitro膜電位イメージング (2022)
  • Author(s): *井出 悠也1、井上 翼1、斎藤 雄輝1、岩岡 みほり1、冨永 貴志2、梶原 利一
  • Organizer: NEURO2022(第45回日本神経科学大会、第65回日本神経化学大会、第36回日本神経回路学会）
• [Presentation] Cuprizone短期投与によりプレパルス抑制が障害されたマウスにおける統合失調症関連分子の免疫組織化学的研究 (2022)
  • Author(s): 8.*佃 京華1、窪田 剛志2、千葉 葵4、冨永 貴志1、岸本 泰司3、中島 健太郎
  • Organizer: NEURO2022(第45回日本神経科学大会、第65回日本神経化学大会、第37回日本神経回路学会）
• [Presentation] A novel in vitro assay for seizure prediction using voltage-sensitive dye imaging (VSDI) in the mouse hippocampus (2022)
  • Author(s): 内海 雄一1,2, 竹歳 麻紀子2, 小原 菜夏3, 三輪 倫子3, 冨永 洋子2, 冨永 貴志1
  • Organizer: 第13回日本生物物理学会中国四国支部大会
• [Presentation] 老齢および若齢マウス脳の海馬における膜電位感受性色素イメージング法を用いた神経回路研究と 免疫組織化学的解析 (2022)
  • Author(s): 佃 京華 1, 2，吉丸 侑希 3，大西 健太 3，竹歳 麻紀子 2，冨永洋子 2，中島健太郎 1,2，冨永貴志
  • Organizer: 第14回日本生物物理学会中国四国支部大会
• [Presentation] 膜電位感受性色素を用いた多発性硬化症モデルマウスでの神経回路解析 (2022)
  • Author(s): 三輪 倫子1*, 佃 京華2, 竹歳 麻紀子2, 冨永 洋子2, 中島 健太郎1,2, 冨永 貴志
  • Organizer: 第13回日本生物物理学会中国四国支部大会
• [Remarks] 徳島文理大学神経科学研究所
  • URL: https://www.bunri-u.ac.jp/ins/lncs.html
• [Remarks] 徳島文理大学神経科学研究所Backyard of the Lab
  • URL: http://dev.main.jp/lncs/
• [Remarks] 生物物理学会生物物理について
  • URL: https://www.biophys.jp/highschool/A-15.html
• [Remarks] 徳島文理大学神経科学研究所Laboratory for Neural Circuit Systems
  • URL: https://www.bunri-u.ac.jp/ins/lncs.html