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

2021 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 / 行動 / 学習 / 神経回路 / 神経伝達 / 神経可塑性 / 化学走性 / 走化性

Outline of Annual Research Achievements

線虫は塩の濃度を学習し行動を変化させる。さらに、塩を経験した際に餌があったか無かったかでその塩濃度へ寄っていくか逃げるかが変化する。本研究では学習による行動変化のしくみを分子、神経回路、行動制御の各レベルで調べ、以下の機構の解明を目指した。(1) 細胞内シグナル伝達と転写制御によるシナプス制御機構の解析、記憶分子の特定、(2) シナプス伝達の反転の機構の解明、(3) 運動回路の同定と回路ダイナミクスの定量化、(4) 感覚運動相互作用の神経機構の解明、(5) 学習による分子の変化とそれによる全神経ダイナミクスの変化の解明、(6) 線虫の「気分」による感覚運動行動の変化の機構
その結果、塩や餌により神経伝達が変化する分子神経機構、神経回路における情報の流れ、化学走性の行動機構のそれぞれにおいてこれまでに不明であった問題に解答を与え、総合的な理解を達成した。特に、感覚神経ASERから会在神経AIBへのグルタミン酸によるシナプス伝達の反転の分子・神経機構を明らかにしたことでその全貌が明らかになった。すなわち、過去と現在の塩濃度の差がASERの神経活動の差として捉えられ、それによりシナプスのジアシルグリセロールの量が変化し、プロテインキナーゼC(nPKC/PKC-1)が活性制御され、シナプスタンパク質であるシンタキシンUNC-64をリン酸化する。これによりグルタミン酸の放出量のベースラインが塩濃度の過去現在の差を反映することになる。一方、AIB神経側の興奮性グルタミン酸と抑制性グルタミン酸の間でグルタミン酸への感受性が異なることをin vivoおよびXenopusの発現系を用いて見出した。これにより、ベースラインの違いにより興奮性優位で正の伝達、抑制性優位で負の伝達と切り替わり、結果的に行動の反転に寄与することが明らかとなった。以上の結果を論文発表した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

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
• [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
• [Remarks] 飯野研究室
  • URL: http://molecular-ethology.bs.s.u-tokyo.ac.jp/labHP/J/JTop.html