2015 Fiscal Year Annual Research Report
ショウジョウバエ聴覚馴化システムをモデルとした記憶ダイナミズムの共通原理の解明
| Project Area | Principles of memory dynamism elucidated from a diversity of learning systems |
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| Project/Area Number |
25115007
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
上川内 あづさ 名古屋大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (00525264)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 神経回路地図 / 行動可塑性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
動物は、外部環境を感覚情報として「記憶」し、適応的行動を発現する。そのような記憶は、単純な刺激に対する神経の馴れから、生涯保持される長期記憶まで実に多様である.。本研究は、モデル生物ショウジョウバエを用いて、聴覚情報が記憶を介して求愛行動を制御・修飾する脳神経機構を解明することを目的とする。聴覚情報記憶を担う神経機構を理解するためにはまず、聴覚情報を処理する神経回路の同定が必須である。そこでH27年度は、二次聴覚神経細胞を網羅同定し、単一細胞レベルの神経回路地図を完成させた。その結果、哺乳類と同様に、ハエにおいても音情報は脳内で並列分散処理されることが示唆された。また、オスの聴覚記憶行動を実験モデルとして整備した。まず、私たちが近年発見した短期聴覚記憶行動について、その時系列変化をモデル化して解析したところ、短期聴覚記憶は時間窓の異なる、少なくとも２つの相から構成されることを示唆した。また、長期の聴覚記憶に依存した行動可塑性についても検討した。その結果、数日間にわたる求愛音刺激に依存した行動可塑性を新たに発見した。このように、聴覚刺激に依存した異なる時間スケールでの聴覚情報処理抽出システムの可塑的な変化を捉える聴覚記憶実験系を、ショウジョウバエで確立することに世界で初めて成功した。また、メスの聴覚記憶として、求愛され続けた個体の性的受容性の亢進を担う２つの脳領域と、それらにシグナルを伝えるドーパミン神経細胞集団の同定に成功した。神経活動解析の結果、聴覚刺激（求愛歌）によってこれらの領域が制御されることが示唆された。
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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
研究計画に沿って高次聴覚神経回路構造の解明を進めたところ、多様な脳領域に分散投射することが判明した。この結果は予想外であり、当初の計画のようには聴覚記憶中枢の同定が進まなかった。しかしこれは、単純な脳を持つハエにおいても哺乳類と同様に聴覚情報が分散的に処理されることを示唆する新発見である。この結果を雑誌 Journal of Comparative Neurology に発表したところ、当該分野の非常に優れた成果として評価され、雑誌の表紙に選ばれた（Matsuo et al, 2016）。今回発見した上向性投射経路のうちの一部の経路、及びその下流の神経回路が聴覚記憶を担うと予想される。以上の研究成果により、今後の体系的な解析を進める基盤を整備することができた。また前述のように、聴覚刺激に依存した異なる時間スケールでの聴覚情報処理抽出システムの可塑的な変化を捉える聴覚記憶実験系を、ショウジョウバエで確立することに世界で初めて成功した。具体的には、まず、私たちが近年発見した短期聴覚記憶行動について、その時系列変化をモデル化して解析したところ、短期聴覚記憶は時間窓の異なる、少なくとも２つの相から構成されることを示唆した。また、長期の聴覚記憶に依存した行動可塑性についても検討した。その結果、数日間にわたる求愛音刺激に依存した行動可塑性を新たに発見した。さらにメス側の聴覚記憶についても解析を進め、求愛され続けた個体の性的受容性の亢進を担う２つの脳領域と、それらにシグナルを伝えるドーパミン神経細胞集団の同定に成功した。以上、研究計画の進展は順調であり、残り期間で当初の目的である神経回路・分子機構の解明まで達成できると確信できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに同定した二次聴覚神経細胞群が形成する神経回路、並びにその下流の神経回路について、オスやメスが示す聴覚記憶行動との接点を、神経活動の人為的抑制・活性化、神経細胞特異的な遺伝子発現の抑制・活性化、といった分子遺伝学を駆使した解析により同定する。これまでに私たちは、聴覚記憶はオスにおける短期・長期の聴覚行動抑制、またメスにおける性的受容性の亢進を引き起こすことを示した。そこで聴覚記憶を担う神経細胞の同定を、これらについて並行して進める。メスの性的受容性の亢進については、２つの候補脳領域をすでに同定し、そのうち１領域については求愛歌依存性の神経活動を確認した。そこで今後はこの２領域に着目し、聴覚刺激が行動を変化させるための責任神経回路を形成する神経細胞群を同定する。以上により、オスやメスにおいて聴覚記憶による行動制御を行う神経細胞群の実体を解明する。これらの神経細胞がどのような経路で求愛歌刺激を受け取るのかを解明するため、同定した責任神経細胞群が形成する神経回路構造を解析する。以上により、それぞれの聴覚記憶がどのようなトポロジーを持った神経回路機構によって制御されるかを解明し、同定した神経回路構造について、ハエの嗅覚記憶など他の記憶ダイナミズムを担う神経回路構造と比較し、共通性と相違点を抽出する。次に聴覚記憶形成に伴う応答性ダイナミクスを解明するため、責任神経細胞の聴覚刺激依存の応答性の変化をカルシウムイメージング法により解析する。またGAL4系統と組み合わせたRNAi法を用いた遺伝子発現抑制系を用いて、ハエを含む多様な動物種において神経可塑性を制御するcAMP伝達経路などの情報伝達経路を構成する分子群の機能を責任神経細胞で阻害する。以上の解析を通じて、記憶動性制御機構の一般原理を抽出する。
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