2018 Fiscal Year Research-status Report
光導波路が曲がった動物は何を見ているのか―光軸から外れた視細胞の機能と個体の行動
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17K19387
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| Research Institution | Hamamatsu University School of Medicine |
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Principal Investigator |
山濱 由美 浜松医科大学, 医学部, 教務員 (90242784)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 複眼 / レンズ / 視細胞 / 視覚定位行動 / 光導波路 / 光軸 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ハマトビムシTalitrus saltatorの正確なオリエンテーション(汀線に対して直角移動)には、直線偏光情報を除く種々の天空からの視覚情報等が重要である。これまで知られている全ての節足動物の複眼の個眼軸は光軸に平行であるが、本種の複眼の個眼の光軸は大きく曲がっており、行動発現に適応した特徴的構造であると予想される。本研究では曲がった個眼構造の機能解明を目指し、個眼レンズ内での光の拡散経路の物理光学的なシミュレーション解析(理論値)と、細胞内記録による電気生理学的な受光角の解析(実測値)の検証を行った。平成29年度の解析では、理論値では個眼の中心付近に集中したが、実測された受光角は広く、理論値と実測値との間に齟齬が見られた。その後、個眼間を取り囲む反射色素細胞の高い光反射性が個眼の受光角に影響を与えている可能性が示唆されたことから、平成30年度の解析では周辺からの光の高反射が起こることを加味して再度シミュレーション解析を行ったところ、近位側からの入射光は遠位側で広く拡散し、実測値と理論値が近くなった。
個眼が広い受光角をもつことは、隣接する個眼で受光角が重なっていることが示唆されるが、実際にハマトビムシの複眼には黒く面状に現れる大きな偽瞳孔が観察される。偽瞳孔は、個眼に入射した光が吸収層の網膜に達して返ってきた部分を反映することから、同軸落射照明装置で一定方向から光照射したときの偽瞳孔の大きさを指標として、光を受容する範囲を昼夜で測定し比較した。その結果、偽瞳孔は昼よりも夜に大きい結果となった。また、夜の暗順応している複眼に光を照射すると偽瞳孔が急激に小さくなることから、光の直接効果による色素顆粒移動が起こる可能性が示唆された。また、反射色素細胞に含まれる強い反射性を示す成分についてEDS解析を行ったところ、細胞を構成する基本的な生元素といくつかの金属元素が検出された。
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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
平成30年度は、①曲がった個眼での光路の物理光学的シミュレーションの解析、②一方向からの入射光を受容できる複眼の部域（偽瞳孔）の解析、③高い光反射性を示す反射色素細胞の成分分析、を中心に行った。
反射色素細胞での光の反射を考慮した物理光学的シミュレーション解析は、海外の研究協力者であるフィレンツェ大学のMercatelli教授らが中心となり協働して実施した。その結果、個眼の中心付近だけでなくより広い角度の光を受光できる可能性が示唆され、理論値と実測値との間の乖離は少ないことがわかった。形態学的証拠と、理論値と実測値の一致から、視細胞間の光学的クロストークはないことがわかり、当初予定のクロストーク検証実験は行わなかった。
また、同軸落射照明装置を用いて一定方向から光を照射したときの偽瞳孔の大きさを計測することにより、昼と夜とで光を受光できる範囲を比較した。その結果、偽瞳孔は昼よりも夜のほうが大きく、また、夜の複眼に光を照射し続けると偽瞳孔が急激に小さくなることが見られたことから、光の直接効果による色素顆粒の移動が起こっている可能性が示唆された。このことは、夜の暗順応条件の個眼において、色素顆粒の移動による感度上昇と視野角の拡大が起こっており、微弱な光環境下への適応が起こっていることが示唆される。
また、個眼を取り囲む反射色素細胞の構成元素について解析するために、液体窒素で急速凍結させたハマトビムシを複眼部位で凍結割断し、凍結乾燥後に割断面のEDS解析を行った。その結果、細胞を構成する主要な生元素の他に数種の金属元素が検出されたが、個体の条件によって若干の差異が見られたことから現在も解析を継続中である。
また、関連研究として、ハマトビムシの曲がった個眼の形状が発生過程においてどのように変化するのかを検討した。本研究成果の一部は第89回日本動物学会札幌大会（代替東京大会）で発表した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度は、①個眼間を取り囲む反射色素細胞で光の高反射率を引き起こす仕組みとその構成成分についての解析、②複眼の部域性と行動に及ぼす影響、③昼夜における明暗順応時の、電子顕微鏡レベルを含めた形態学的変化、を中心に推進する。
個眼の周辺細胞である反射色素細胞の割断面の元素分析を行ったところ、細胞を構成する生元素の他にいくつかの金属元素が検出された。しかしながら野外で採集したばかりの個体と長期間飼育されていた個体で若干の差が見られたことから、光の反射に関わる構造の元素組成についてはより詳細に検討する必要がある。令和元年度の解析では、野外で採集されたばかりの個体と１年以上飼育下にある個体で、個眼間の反射色素細胞の構成元素に違いが見られるかどうかを検討し、光を反射させる細胞の構造と機能を解明する。
また、同軸落射照明装置を導入し、平成30年度に測定した側方（赤道面）に加えて、前方方向および天頂方向（背側）から光を照射したときの偽瞳孔の大きさを測定することにより、どの面に対して広い視野をもつのか、また部域性に差があるかを解析し、視覚定位行動との関連を検証する。さらに、電子顕微鏡観察により、昼と夜における明暗順応時の視細胞内の色素顆粒の分布についての形態学的解析を行う。
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| Causes of Carryover |
平成30年度に行った複眼の偽瞳孔の解析は、メーカーから借用した同軸落射照明装置（デモ機）を用いての実験であったため、複眼の側面（赤道面）方向からのみの観察になった。令和元年度は、前年度の繰越予算と合わせて同軸落射照明装置を購入し、背側方向や前方から光を照射したときの偽瞳孔の測定と解析を行い、前方および背側（天頂）方向と側面（赤道）方向の複眼での部域差を検討し、視覚定位行動における複眼の機能について検証する。また、前年度に引き続き、個眼の周辺を取り囲む高い光反射性を示す反射色素細胞内の構造および成分についてのEDS解析を行うため、試料作製のための液体窒素や電子顕微鏡の使用料金などが必要となる。さらに、令和元年度は研究の最終年度となるので、これまでの研究成果についての学会発表を行うための旅費と論文投稿のための費用が必要となる。
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Research Products
(4 results)
