2016 Fiscal Year Annual Research Report
Computational process in neural circuit for orientation navigation in insect
| Project Area | Systems Science of Bio-navigation |
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| Project/Area Number |
16H06544
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
小川 宏人 北海道大学, 理学研究院, 教授 (70301463)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 神経科学 / 昆虫 / 行動学 / 脳・神経 / ニューロン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，主に本研究計画を遂行するための実験設備の整備とセットアップ，および領域内共同研究に向けた検討を行った。
まず自由行動下の音源定位行動を詳細に観察するため，研究室内に新たに4.68㎡の防音室を設置し，内壁に吸音材を敷き詰めた。防音室内部に円形の実験アリーナを設置し，四方に刺激用スピーカーを配置した。その真上の天井にCMOSカメラを設置し，アリーナ中央から動物が音にしたがって移動していく様子を観察できるシステムを作成した。また，生理学実験時に聴覚的なバーチャルリアリティ（VR）空間を再現するため，防音室内部でオスコオロギの誘引歌を録音し，動物からの距離によってどのように音圧が変化するのかを計測した。さらに，連携研究者の安藤氏の協力により，聴覚的VR空間を再現する刺激装置を製作した。現在上述した音圧データをもとに，トレッドミルで計測した運動データからクローズドループで制御するフィードバックゲインを調整している。
なお，視覚的VRシステム製作について，新学術領域研究 学術研究支援基盤形成「先端モデル動物支援プラットフォーム」の支援を受けることが決定し，多感覚でのVRシステムを使った研究への展開できる道筋がついた。
領域内共同研究として，大阪大学の前川氏にディープ・ニューラルネット（DNN）を使用したコオロギの移動軌跡データの解析を依頼した。我々はこれまでに音刺激を先行して呈示した場合，短い気流パフに対する逃避行動が変化することを報告しているが，DNNによる解析では，音刺激の有無だけでなく，刺激方向の一致性を区別するノードが得られた。これは我々の解析では気づけなかった点であり，今後音源定位の軌跡データの情報学的解析について，大きな期待ができる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の目標であった，音源定位行動の軌跡データを計測する実験設備と聴覚VRシステムの製作は，まだ双方のデータの照らし合わせなどの調整は残っているが，ほぼ終了した。しかし，実際に動物を行動させたときのデータ取得については，採用を予定していた博士研究員の選出に手間取ったため，年度内には十分なデータを得られなかった。しかし，現在急ピッチで実験を進めており，次年度はほぼ研究計画通り進めることができると思われる。また，行動データの統計学的解析については，領域内の情報学チームとの連携により解析の道筋が付いた。さらに先端モデル動物支援プラットフォームの支援により，聴覚だけでなく視覚的VRも同時に再現するシステムを構築できることになった。今後単純な音源定位だけでなく，視覚的手掛かりも使用した多種感覚統合によるナビゲーション研究にも展開が期待できる。したがって，全体としてはおおむね順当に進展していると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度は，コオロギ脳内に遺伝子コード型カルシウムセンサG-CaMPを発現させ、VR環境下で音源定位中のコオロギにおける脳内大規模カルシウムイメージングを行う。まずコオロギに様々な方位から誘引歌を聴かせ，多数の脳内ニューロンの活動を計測する。個々のニューロンの音源方位選択性を解析し，その応答パターンのデータを蓄積する。集団応答データから刺激方位を予測するモデル（デコーダー）を，機械学習を用いて作成する。より予測精度の高いデコーダーを構成するニューロンを画像データから推定し、刺激方位を認識するニューロン集団を同定する。また，複数の感覚入力によるナビゲーションの神経機構を明らかにするため，誘引歌に加えてランドマークなどの視覚刺激も呈示し，音源定位行動の変化を調べる，そのための多種感覚VR刺激装置を開発する必要があり，新たに研究分担者を追加する。
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