神経回路の活動と行動の対応付けに基づく連合学習の神経機構の解明

• Project Area: Mesoscopic neurocircuitry: towards understanding of the functional and structural basis of brain information processing
• Project/Area Number: 25115707
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 國友 博文 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (20302812)
• Project Period (FY): 2013-06-28 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2014: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2013: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 神経回路 / 学習 / 記憶 / 線虫 / 光遺伝学 / 学習と記憶

Outline of Annual Research Achievements

学習と記憶の仕組みを分子レベルで明らかにすることを目的として、線虫C.エレガンスの塩走性に見られる連合学習の機構を調べた。線虫は、塩の濃度勾配上に置かれると餌を経験した塩濃度に向かい、飢餓を経験した塩濃度を避ける。この学習では、記憶された塩濃度と現在の塩濃度の差に基づいてASER味覚神経から後シナプス介在神経へのシナプス伝達効率が変化する（塩濃度走性、Kunitomo et al., Nature Communications 4:2210 (2013)）。
ASERの後シナプス介在神経を破壊し、塩走性における役割を調べた。その結果、二つの介在神経が異なる条件で進路決定に寄与していることが示唆された。記憶の分子機構の解明についても進捗があった。遺伝学的解析から、ASER神経細胞内のジアシルグリセロール（DAG）シグナル伝達経路の活性が塩走性の極性を制御していることが知られていた。連携研究者らは、ASERのDAGレベルが塩濃度の変化と逆の相関を示すことを明らかにした。この結果は、塩濃度の変化によりASERのDAGレベルが上下し、シナプス伝達効率の変化を介して行動が制御されていること、またASERにおけるDAGレベルの調節機構が塩濃度の記憶の一部を担っていることを示唆する。
塩濃度走性の記憶は数時間しか持続しない短期記憶であったが、餌と高い塩濃度を繰り返し経験させると、高塩濃度への走性が10時間程度保持されることがわかった。変異体の解析から、この長期記憶の形成にはAIB介在神経におけるAMPA型グルタミン酸受容体GLR-1の働きが重要であることを示唆する結果が得られた。
ナトリウムイオンを細胞外に運び出す微生物型ロドプシンKrokinobacter Rhodopsin 2が線虫の神経活動を光依存的に抑制し、光遺伝学ツールとして使用できることを明らかにした。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump (2015)
  • Author(s): H. E. Kato, K. Inoue, R. Abe-Yoshizumi, Y. Kato, H. Ono, M. Konno, S. Hososhima, T. Ishizuka, M. R. Hoque, H. Kunitomo, J. Ito, S. Yoshizawa, K. Yamashita, M. Takemoto, T. Nishizawa, R. Taniguchi, K. Kogure, A. D. Maturana, Y. Iino, H. Yawo, R. Ishitani, H. Kandori*, O. Nureki*
  • Journal Title: Nature Volume: 未定 Issue: 7550 Pages: 48-53
  • DOI: 10.1038/nature14322
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Role of synaptic phosphatidylinositol 3-kinase in a behavioral learning response in C. elegans (2014)
  • Author(s): Ohno H, Kato S, Naito Y, Kunitomo H, Tomioka M, Iino Y.
  • Journal Title: Science Volume: 345 Issue: 6194 Pages: 313-7
  • DOI: 10.1126/science.1250709
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Regulation of Experience-Dependent Bidirectional Chemotaxis by a Neural Circuit Switch in Caenorhabditis elegans (2014)
  • Author(s): Yohsuke Satoh, Hirofumi Sato, Hirofumi Kunitomo, Xianfeng Fei, Koichi Hashimoto, Yuichi Iino
  • Journal Title: The Journal of Neuroscience Volume: 34 Issue: 47 Pages: 15631-15637
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1757-14.2014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Concentration memory-dependent synaptic plasticity of a taste circuit regulates salt concentration chemotaxis in Caenorhabditis elegans. (2013)
  • Author(s): Kunitomo H, Sato H, Iwata R, Satoh Y, Ohno H, Yamada K, Iino Y.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 4 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/ncomms3210
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 線虫C. elegans を用いた塩走性学習の長期記憶形成 (2014)
  • Author(s): 植村 舞、飯野 雄一、國友 博文
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2014-11-25
• [Presentation] 線虫C. elegans の塩濃度学習におけるモノアミン神経伝達物質の働き (2014)
  • Author(s): 川崎 瑞己、國友 博文、飯野 雄一
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2014-11-25
• [Presentation] 線虫の経験塩濃度依存的な行動を制御する神経回路の解明 (2014)
  • Author(s): 佐藤博文、國友博文、Xianfeng Fei、橋本浩一、飯野雄一
  • Organizer: 第37回 日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2014-11-25
• [Presentation] Dissecting the roles of primary interneurons that regulate memory-dependent navigation behavior in C. elegans. (2014)
  • Author(s): Hirofumi Kunitomo, Yohsuke Satoh, Hirofumi Sato, Yuichi Iino
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia Conference, Neurobiology: Diverse Species & Conserved Principles
  • Place of Presentation: 蘇州（中国）
  • Year and Date: 2014-09-17
• [Presentation] Neural basis of plasticity and bidirectionality of klinotaxis (2014)
  • Author(s): Yohsuke Satoh, Hirofumi Sato, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • Organizer: 2014 C. elegans topic meeting: Neuronal Development, Synaptic Function and behavior
  • Place of Presentation: 奈良県新公会堂（奈良県・奈良市）
  • Year and Date: 2014-07-08
• [Presentation] 線虫C. elegansの塩濃度学習におけるモノアミン神経伝達物質の働き
  • Author(s): 川崎 瑞己，國友 博文，飯野 雄一
  • Organizer: 第36回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）