4D imaging analysis of temporal multiplexing in salt chemotaxis behavior of C. elegans

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 18K14848
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 46030:Function of nervous system-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Toyoshima Yu 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (10632341)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: システム生物学 / モデル化とシミュレーション / Ca2+イメージング / 神経情報処理 / 線虫

Outline of Final Research Achievements

In salt chemotaxis of the nematode C. elegans, they choose behavioral
strategies according to the direction of gradient of salt concentration. Information on salt concentration gradients is thought to be encoded by temporal multiplexing, propagated through the same neural circuit, and decoded downstream. The present study aimed to clarify the details of this information processing mechanism. We have created a novel microfluidic device to measure the neural activity of the behaving C. elegans and found that the response of the motor neurons to the stimulation of the salt concentration change depends on the phase of the head movement. Combined with optogenetic stimulation and mathematical modeling, we found that this phase-dependent salt response is the information processing mechanism that generates the weathervane behavior.

Free Research Field

システム神経科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究によって、感覚運動統合のメカニズムの一端が明らかになった。神経活動と行動を統合した数理モデルによって、環境と神経活動と行動の3者間の関係を包括的に理解できることが示された。また行動中の生物の神経活動を観察することの重要性が示され、行動中の線虫の全脳神経活動計測に向けた技術的基盤の整備が進んだ。またパターン照明を用いた光遺伝学的刺激の有用性が示唆され、高速閉ループ制御技術の必要性が明らかになった。