Towards thorough understanding of molecular and neural circuit basis of behavioral switch

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H06113
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 飯野 雄一 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (40192471)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 石原 健 九州大学, 理学研究院, 教授 (10249948)
• Project Period (FY): 2017-05-31 – 2022-03-31
• Keywords: 線虫C.elegans / 学習記憶 / シナプス伝達 / 神経回路 / 全脳イメージング

Outline of Annual Research Achievements

微小なモデル生物である線虫C. elegans では全神経回路の構造が既知であり、実際の生物における神経系の情報処理機構を明らかにできる可能性を秘めている。本研究では線虫を用い、神経回路が感覚入力を処理して行動を引き起こすまでの全神経回路を解明し、学習によりその行動が変化する分子・神経機構を明らかにすることを目的としている。このために以下を進めた。
1)飢餓により経験した塩濃度を避けるようになる学習の分子メカニズムとして、インスリン受容体Daf-2cの下流で二つのフォスフォリパーゼが働くことを見つけ、それぞれが高塩への移動、低塩への移動を制御することが示唆された。
2)CLCタイプの塩化物イオンチャネルCLH-1に特定の変異が入ると線虫の低塩濃度への走性が大きく減弱することを見出し、このチャネルの働きを機能解析した。この変異はセミドミナントであること、この変異が感覚神経で働くことにより感覚神経の塩化物イオンの動態が異常となり、同じ神経のカルシウム応答が鈍くなることを明らかにし発表した。
3)経験した塩の濃度に向かうようになる行動可塑性の機構を調べ、感覚神経ASERから介在神経AIBへのシナプス伝達が反転することを見出し、これに伝達物質グルタミン酸と興奮性抑制性双方の受容体が関与することを明らかにし発表した。
4)全脳の神経活動を同時に測定する全脳イメージングの系において、神経の名前づけを行うため、各神経の位置を系統的に共焦点顕微鏡で測定した「Neuron IDデータセット」を作成し発表した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

予定した研究項目のうち、1)細胞内シグナル伝達によるシナプス制御、2)シナプス反転の機構　の両者について進展があった。3)運動回路の同定、4)感覚運動相互作用もAIB-AVAを中心に知見が得られ論文発表を行った。

Strategy for Future Research Activity

シナプス反転により行動反転が起こることまではわかったので、反転に関わる分子の特定と性状解析に全力を上げる。

Research Products

• [Journal Article] Different modes of stimuli delivery elicit changes in glutamate driven, experience-dependent interneuron response in C. elegans. (2023)
  • Author(s): Mabardi, L., Sato, H., Toyoshima, Y., Iino, Y., and Kunitomo, H.
  • Journal Title: Neurosci Res Volume: 186 Pages: 33-42
  • DOI: 10.1016/j.neures.2022.10.004.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Insulin/IGF signaling regulates presynaptic glutamate release in aversive (2022)
  • Author(s): Cheng, D., Lee, JS., Brown, M., Ebert, MS., McGrath, PT., Tomioka, M., Iino, Y., Bargmann, CI.
  • Journal Title: CELL REPORTS Volume: 41 Pages: (8)111685
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111685
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular encoding and synaptic decoding of context during salt chemotaxis in C. elegans (2022)
  • Author(s): Hiroki, S., Yoshitane, H., Mitsui, H., Sato, H., Umatani, C., Kanda, S., Fukada, Y., and Iino, Y.
  • Journal Title: NATURE COMMUNICATIONS Volume: 13 Pages: (1)2928
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30279-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Loss of calsyntenin paralogs disrupts interneuron stability and mouse behavior (2022)
  • Author(s): Mori, K., Koebis, M., Nakao, K., Kobayashi, S., Kiyama, Y., Watanabe, Ma., Manabe, T., Iino, Y., Aiba, A.
  • Journal Title: MOLECULAR BRAIN Volume: 15 Pages: (1)23
  • DOI: 10.1186/s13041-022-00909-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Involvement of HECT-type E3 ubiquitin ligase genes in salt chemotaxis learning in Caenorhabditis elegans (2022)
  • Author(s): Ike, Y., Tomioka, M., and Iino, Y
  • Journal Title: GENETICS Volume: 220 Pages: Issue 4
  • DOI: 10.1093/genetics/iyac025
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The redundancy and diversity between two novel PKC isotypes that regulate learning in Caenorhabditis elegans (2022)
  • Author(s): Hiroki, S., and Iino, Y.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. Volume: 119 Pages: (3)e2106974119
  • DOI: 10.1073/pnas.2106974119
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] DAF-2c signaling promotes taste avoidance after starvation in Caenorhabditis elegans by controlling distinct phospholipase C isozymes (2022)
  • Author(s): Tomioka, M., Jang, M.S., and Iino, Y.
  • Journal Title: Commun Biol Volume: 5 Pages: (1)30
  • DOI: 10.1038/s42003-021-02956-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Caenorhabditis Elegans Exhibits Morphine Addiction-like Behavior via the Opioid-like Receptor NPR-17 (2022)
  • Author(s): Ide, S., Kunitomo, H., Iino, Y., and Ikeda, K.
  • Journal Title: FRONTIERS IN PHARMACOLOGY Volume: 12 Pages: 802701
  • DOI: 10.3389/fphar.2021.802701
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Probabilistic generative modeling and reinforcement learning extract the intrinsic features of animal behavior (2022)
  • Author(s): Mori, K., Yamauchi, N., Wang, H., Sato, K., Toyoshima, Y., and Iino, Y.
  • Journal Title: Neural Netw Volume: 145 Pages: 107-120
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2021.10.002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regulation of Diacylglycerol Content in Olfactory Neurons Determines Forgetting or Retrieval of Olfactory Memory in Caenorhabditis elegans (2022)
  • Author(s): Arai, M., Kurokawa, I., Arakane, H., Kitazono, T., Ishihara, T
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Volume: 42 Pages: 8039-8053
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0090-22.2022
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Behavioral Forgetting of Olfactory Learning Is Mediated by Interneuron-Regulated Network Plasticity in Caenorhabditis elegans (2022)
  • Author(s): Teo, J.H., Kurokawa, I., Onishi, Y., Sato, N., Kitazono, T., Tokunaga, T., Fujiwara, M., and Ishihara, T.
  • Journal Title: eNeuro Volume: 9 Pages: 0084-22.2022
  • DOI: 10.1523/ENEURO.0084-22.2022
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Forward and backward locomotion patterns in C. elegans generated by a connectome-based model simulation (2021)
  • Author(s): Sakamoto, K., Soh, Z., Suzuki, M., Iino, Y., and Tsuji, T.
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 11 Pages: (1)13737
  • DOI: 10.1038/s41598-021-92690-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Glutamate signaling from a single sensory neuron mediates experience-dependent bidirectional behavior in Caenorhabditis elegans (2021)
  • Author(s): Sato, H., Kunitomo, H., Fei, X., Hashimoto, K., and Iino, Y.
  • Journal Title: Cell Rep Volume: 35 Pages: (8)109177
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109177
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Roles of the CIC chloride channel CLH-1 in food-associated salt chemotaxis behavior of C. eleagns (2021)
  • Author(s): Park, C., Sakurai, Y., Sato, H., Kanda, S., Iino, Y., and Kunitomo, H.
  • Journal Title: Elife Volume: 10 Pages: e55701
  • DOI: 10.7554/eLife.55701
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] EGL-4/PKG regulates the role of an interneuron in a chemotaxis circuit of C. elegans through mediating integration of sensory signals (2021)
  • Author(s): Hino, T., Hirai, S., Ishihara, T., and Fujiwara, M.
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 26 Pages: 411-425
  • DOI: 10.1111/gtc.12849
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 3DeeCellTracker, a deep learning-based pipeline for segmenting and tracking cells in 3D time lapse images (2021)
  • Author(s): Wen, C., Miura, T., Voleti, V., Yamaguchi, K., Tsutsumi, M., Yamamoto, K., Otomo, K., Fujie, Y., Teramoto, T., Ishihara, T., et al.
  • Journal Title: eLife Volume: 10 Pages: e59187
  • DOI: 10.7554/eLife.59187
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Green fluorescent protein-based lactate and pyruvate indicators suitable for biochemical assays and live cell imaging (2020)
  • Author(s): Harada, K., Chihara, T., Hayasaka, Y., Mita, M., Takizawa, M., Ishida, K., Arai, M., Tsuno, S., Matsumoto, M., Ishihara, T., et al.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Pages: 19562
  • DOI: 10.1038/s41598-020-76440-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Caenorhabditis elegans: a model to understand host-microbe interactions (2020)
  • Author(s): Kumar, A., Baruah, A., Tomioka, M., Iino, Y., Kalita, MC., Khan, M.
  • Journal Title: Cell. Mol. Life Sci. Volume: 77 Pages: (7)1229-1249
  • DOI: 10.1007/s00018-019-03319-7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫C. elegansにおける糖濃度学習の機能解析 (2023)
  • Author(s): 富永 慶子、富岡 征大、飯野 雄一
  • Organizer: 日本動物学会関東支部第75回大会
• [Presentation] p38 MAPK シグナル経路は複数の感覚神経においてC. elegansの塩走性学習を制御する (2022)
  • Author(s): 黄 涛若、富岡 征大、飯野 雄一
  • Organizer: 第45回 日本分子生物学会年会
• [Presentation] Investigating how worms integrate sensory and motor information in salt klinotaxis (2022)
  • Author(s): Ayaka Matsumoto, Chenqi Zhang, Akihiro Isozaki, Keisuke Goda, Yu Toyoshima, Yuichi Iino
  • Organizer: CeNeuro2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecules and neural network underlying salt preference (2022)
  • Author(s): Shingo Hiroki, Hirofumi Sato, Yu Toyoshima, Llian Mabardi, Hikari Yoshitane, Hinako Mitsui, Manami Kanamori, Chie Umatani, Shinji Kanda, Mashiro Tomoioka, Koichi Hashimoto, Hirofumi Kunitomo, Yoshitaka Fukada, Takeshi Ishihara & Yuichi Iino
  • Organizer: CeNeuro2022(C. elegans Topic Meeting: Neuronal Development, Synaptic Function and Behavior)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] FMRFamide-like neuropeptide FLP-2 and pigment dispersing factor-like neuropeptide PDF-1 may modulate salt chemotaxis of C. elegans by mediating food signals (2022)
  • Author(s): Yucheng Xie, Koji Yamada, Takeshi Adachi, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • Organizer: Ceneuro2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] FMRFamide様神経ペプチドFLP-2は餌のシグナルを仲介してC.エレガンスの塩走性を調節する（FMRFamide-like neuropeptide FLP-2 may modulate salt chemotaxis of C. elegans by mediating food signals） (2022)
  • Author(s): Yucheng Xie, Koji Yamada, Takeshi Adachi, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • Organizer: NEURO2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of neural activity underlying turning movement by tracking-imaging of freely moving C. elegans. (2022)
  • Author(s): Ukyo T. Tazawa, Koyo Kuze, Ayaka Matsumoto, Yu Toyoshima, Suzu Oe, Takayuki Teramoto, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: NEURO2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫が侵害受容から忌避応答を引き起こす神経回路の解析 (2022)
  • Author(s): 久世晃暢、田澤右京、豊島有、大江紗、寺本孝行、石原健、飯野雄一
  • Organizer: NEURO2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫C.elegansにおいて糖依存的に塩嗜好性を変化させる分子機構 (2022)
  • Author(s): 梅村 悠介、上岡 雄太郎、内山 千紘、陳 立峻、片江 圭太、飯野 雄一、富岡 征大
  • Organizer: 第99回日本生理学会大会
• [Presentation] 線_ C. elegans の介在神経における複数の嗅覚情報の統合機構 (2022)
  • Author(s): 東亮太郎 石原健 藤原学
  • Organizer: 分子生物学会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 線虫の匂い識別行動を指標にした、嗅覚回路における匂い情報伝達経路の解析 (2022)
  • Author(s): 徳升太一 石原健 藤原学
  • Organizer: 分子生物学会
• [Presentation] Regulation of diacylglycerol content in olfactory neurons determines forgetting or retrieval of olfactory memory in Caenorhabditis elegans (2022)
  • Author(s): Mary Arai, Itsuki Kurokawa, Hoshinosuke Arakane, Tomohiro Kitazono, Takeshi Ishihara
  • Organizer: 記憶研究会
  • Invited
• [Presentation] Analyses of neuropeptides and receptors required for forgetting (2022)
  • Author(s): Yuuki Onishi Takeshi Ishihara
  • Organizer: 記憶研究会
• [Presentation] Neuropeptide NLP-47 and its receptor GNRR-1 promote forgetting of olfactory memory in C. elegans (2022)
  • Author(s): Yuuki Onishi;Jamine Teo,Tomohiro Kitazono,Takeshi Ishihara
  • Organizer: CeNeuro2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 神経ペプチドNLP-47とその受容体GNRR-1は、線虫C. elegansの嗅覚学習の忘却を促進する (2022)
  • Author(s): 大西 湧己、Teo Jamine、北園 智弘、石原 健
  • Organizer: 神経科学学会
• [Presentation] 線虫の塩走性における感覚運動統合と行動制御の神経機構の解明 (2021)
  • Author(s): 松本朱加、豊島有、Zhang Chenqi、磯崎瑛宏、合田圭介、飯野雄一
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 線虫C. elegansの頭部全神経イメージングデータを用いた神経活動解析 (2021)
  • Author(s): 永田大貴、豊島有、佐藤博文、久世晃暢、寺本孝行、石原健、飯野雄一
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 線虫C. elgansの塩走性におけるp38 MAPKの働き (2021)
  • Author(s): 黄 涛若、富岡 征大、飯野 雄一
  • Organizer: 第44回 日本分子生物学会年会
• [Presentation] Functions of insulin-like peptide signaling in the C. elegans nervous system (2021)
  • Author(s): Masahiro Tomioka
  • Organizer: Kick-off Symposium of “International Research on Regulation of Insulin-Like Activities for Extension of Health Life Span”
• [Presentation] 線虫の味覚における記憶学習を制御する分子機構 (2021)
  • Author(s): 富岡 征大
  • Organizer: 生理研研究会2021 「記憶・学習の多角的理解に向けたアプローチ」
• [Presentation] 塩走性に働く神経ペプチドの同定と機能の解明 (2021)
  • Author(s): Yucheng Xie, Koji Yamada, Takeshi Adachi, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会2021
• [Presentation] ASEL神経における塩応答機構の解明 (2021)
  • Author(s): Sayako Satomi, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会2021
• [Presentation] Roles of the nlp-3 neuropeptide gene in salt chemotaxis in C. elegans (2021)
  • Author(s): 児玉未来、安達健、山田康嗣、飯野雄一、國友博文
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会2021
• [Presentation] 線虫の行動制御神経回路機構の強化学習による探索 (2021)
  • Author(s): 山内直寛、森啓太、飯野雄一、銅谷賢治
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] ’Molecular Encoding and Synaptic Decoding of Memory of Chemical Concentration in C. elegans’ (2021)
  • Author(s): Shingo Hiroki, Hikari Yoshitane, Yoshitaka Fukada, Masahiro Tomioka, Muneki Ikeda, Ikue Mori, Yuichi Iino
  • Organizer: International C. elegans Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The regulation of olfactory circuit by EGL-4/PKG (2021)
  • Author(s): Takahiro Hino, Shota Hirai, Takeshi Ishihara,Manabi Fujiwara
  • Organizer: International Worm Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Diacylglycerol content controls proper memory utilization through switching between forgetting and retrieving. (2021)
  • Author(s): Mary Arai, Itsuki Kurokawa, Akitoshi Inoue, Takeshi Ishihara
  • Organizer: International Worm Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Identification of neuropeptides accelerating forgetting in C. elegans with a reverse genetic apporach (2021)
  • Author(s): Yuuki Onishi, Jamine Teo, Tomohiro Kitazono Takeshi Ishihara
  • Organizer: International Worm Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simultaneous measurements of membrane voltage and intracellular Ca2+ of AWA neurons by a gene encoded voltage indicator and GCaMP (2021)
  • Author(s): Noriko Sato, Takeshi Ishihara, Terumasa Tokunaga
  • Organizer: International Worm Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫の嗅覚記憶の忘却におけるAIA介在神経の関与 (2021)
  • Author(s): Jamine Teo, Tomohiro Kitazono,Takeshi Ishihara
  • Organizer: 日本分子生物学会
• [Presentation] 神経ペプチドNLP-47は線虫のC. elegansの嗅覚学習の忘却を促進する (2021)
  • Author(s): 大西 湧己、Teo Jamine、石原 健
  • Organizer: 日本分子生物学会
• [Presentation] 線虫の脳における複数の情報処理の実行機構 (2021)
  • Author(s): 藤原学 平井祥太 石原 健
  • Organizer: 日本分子生物学会
• [Presentation] 線虫 C. elegans を用いて高精度な神経回路解析を行うことを目指し た実験系の改良 (2021)
  • Author(s): 白井洸充 村上 悠子、豊島 有、大江 紗、Stephen Wu、金森 真奈実、寺本 孝行、Moon-Sun Jang、佐藤 博文、吉田 亮、飯野 雄一、石原 健
  • Organizer: 日本分子生物学会
• [Presentation] 全脳イメージングを用いた線虫の機能的神経回路の同定に向けて (2020)
  • Author(s): 遠藤 雄人,Chentao Wen、三浦 拓也、熊谷 里加子、石原 健、木村 幸太郎
  • Organizer: 日本神経科学学会
• [Presentation] 3DeeCellTracker: 三次元時系列画像データから細胞活動を追跡・抽出する深層学習を用いたソフトウェア (2020)
  • Author(s): 木村 幸太郎、三浦 拓也、Venkatakaushik Voleti、藤江 由香子、寺本 孝行、石原 健、Elizabeth M.C. Hillman、Chentao Wen
  • Organizer: 日本神経科学学会
• [Presentation] 線虫の塩走性におけるnlp-3の役割の解明 (2020)
  • Author(s): 児玉未来、安達健、山田康嗣、飯野雄一、國友博文
  • Organizer: 第43回 日本分子生物学会年会
• [Remarks] 飯野研究室
  • URL: http://molecular-ethology.bs.s.u-tokyo.ac.jp/labHP/J/JTop.html