2018 Fiscal Year Research-status Report

Functional population analysis of the recurrent network in the Drosophila mushroom bodies as the basis of the olfactory memory consolidation.

Research Project

Project/Area Number	18K06328
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	廣井誠東京大学, 定量生命科学研究所, 助教 (80597831)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	記憶 / リカレント回路 / ショウジョウバエ / キノコ体 / 嗅覚 / 連合学習 / 光遺伝学
Outline of Annual Research Achievements	学習記憶のメカニズムを知るためには脳のどの細胞が記憶の形成・維持・読み出しに関わるかを知ることが不可欠である。近年、匂いシグナルはDANs→KCs→MBONsと一方向に流れるのではなく双方向性で、複雑なナットワークを形成していることがわかって来ている。本研究では学習が行われている最中の個体の脳の神経集団活動をライブでモニターし、その活動を統計的推定によって少数に絞り、記憶細胞を同定することを目的とする。さらに近年記憶の固定化に寄与することが明らかになったキノコ体を中心としたリカレント神経回路と、長期記憶の中心的役割を担う転写因子CREB活性細胞との関連について解析することで、短期記憶から安定した長期記憶を形成する遷移を、生理学的に明らかにしていく。顕微鏡下で電気ショックと連合させた匂いCS＋及び連合させなかった匂いCS－に対する匂い応答を計測した。異なった個体間でもCS＋とCS－の差をとることで記憶前後の差（記憶痕跡）を検出することが可能であった。通常の行動実験装置で学習させた個体群でも再現されたことから、顕微鏡下で記憶を形成することが可能となった。匂い物質を用いた連合学習に加えて、特定の嗅覚受容体を発現する神経群を光遺伝学によって人工的に活性化させる連合学習の系の立ち上げを試みた。これは条件刺激の強度・時間的な制御をより細かく行うことができ、ドーパミン神経の活性化のタイミングと合わせてリカレント回路の解析がやりやすくするためである。また同じ遺伝型の個体で連合学習ができる光遺伝学用の行動実験のデバイスを製作した。現在、忌避・リワード学習の両方で安定して連合学習ができている。これによって、生理学的な応答と行動実験のパフォーマンスを相互に比較・解析が可能となる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason MBONsの応答を指標とすることによって顕微鏡下で匂い学習が形成されうることを示すことができたのは大きな進歩である。異なった波長特性の活性化・抑制チャネル（Chrimson/Chronos/GtACR）を発現させることで、複数の神経群の応答を操作できるようになった。これにより、条件刺激（CS）と無条件刺激（US）の両方を人工的にかつ強度・時間的に精密な操作でき、回路の生理学的な解析が可能となった。顕微鏡下では、KCsにドーパミン依存的にUSシグナルを伝達すると考えられるDANsを安定的に活性化する際に、電気ショックの条件制御が繊細で難しかった。光刺激によってこのDANsを活性化することによって、人工的ではあるが安定して実験が行えている。上記の光遺伝学的手法を行動実験でも行えるように新たにデバイスを製作した。忌避・リワードの両方で学習パフォーマンス指標が0.3-0.4で安定して観測できている。
Strategy for Future Research Activity	２種類の光活性化チャネルを同時に発現させることによって、匂い刺激（CS）と電気ショック/味覚刺激（US）を完全に光刺激に置き換えることができるようになった。これにより遺伝的に均一な個体間の比較が安定して行える。詳細な刺激制御ができる事で、神経応答の定量的な解析が行え微量な差を検出できることが期待される。行動特性の異なる嗅覚刺激を２、３比較して、入力される嗅覚受容体によって学習効率に違いがあるかどうかを検討する。リワード学習や忌避学習の効率に違いがあった場合、情報経路（DANsやMBON）にどのように伝達されていくかを同定していく予定である。
Causes of Carryover	次年度使用額が生じた理由：基金の一部の範囲内で研究を遂行したたため。使用計画：短期記憶神経の回路関係を明らかにするために、30年度の経費と合わせて、様々な変異系統の作成、維持、増殖に用いる試薬、培地を購入する。また、これらの分子生物学、神経生物学研究用試薬、実験器具を購入する。