2019 Fiscal Year Annual Research Report
The neural mechanism of odor representation in dopaminergic neurons depending on internal state
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19J12156
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
加藤 郁佳 東京大学, 総合文化研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | ショウジョウバエ / 嗅覚系 / ドーパミン / デコーディング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的はショウジョウバエの嗅覚系をモデルとして感覚刺激と自己のモチベーションの状態に関する情報の統合様式とメカニズムを神経回路レベルで解明することである。具体的には、キノコ体に投射するドーパミン細胞が匂い刺激の価値を表現するという仮説を検証すると共にドーパミン細胞の匂い応答を生み出す神経回路メカニズムを光遺伝学等の手法で明らかにすることを目指す。さらに、ドーパミン細胞を活性化させる匂いが強化子として働くことで、キノコ体出力細胞の活動を可塑的に変化させ、匂いに対する個体の行動変化を引き起こすという仮説の検証を通して、ドーパミン細胞の生得的な匂い応答の機能的意義を探る。当期は上記の目的を達成するために主に以下の研究活動を行った。
27種類の価値の異なる様々な匂いに対するドーパミン細胞の活動を二光子カルシウムイメージングによって記録し、網羅的に解析するために3次元レジストレーションを用いた解析パイプラインを作成し、キノコ体に投射するすべてのドーパミン出力を、解剖学的に異なる15個のコンパートメントに分けて分析することができた。主成分分析を行い、ドーパミン細胞が匂いの好みを表現しているのではないかという仮説が立てられた。
次に、ドーパミン細胞の活動から匂いの価値（行動実験によって定量された、匂いの好き嫌いを表す値）を説明できるような数理モデルを構築した。この解析から、15のコンパートメントに属するドーパミン細胞の活動総体に匂い価値の情報がコードされていることが分かった。
ドーパミン細胞が嗅覚回路からどのように入力を受け取るのかを調べるために複数の系統を作成し、実験を進めている。具体的には、生得的な匂いの情報処理に関わっているとされている側角からの入力と、匂いを用いた連合学習にかかわっているとされるキノコ体からの入力をそれぞれ阻害して神経活動への影響を解析する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
二光子励起顕微鏡を用いたカルシウムイメージングの長所を最大限に生かして、特定の脳領域に投射するドーパミン細胞全てから網羅的に匂い応答を計測することに成功した。また、取得した4次元データを定量的に解析するプログラムや、ドーパミン細胞の活動を解読する数理モデルを構築した。これら一連の作業を通して、ドーパミン細胞が生得的な匂いの価値を表現するという仮説を支持する結果を得ることができた。また、ドーパミン細胞の匂い応答を生み出す回路メカニズムの理解に向けた実験にも着手したため、期待以上の研究の進展があったと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は準備してきたドーパミン細胞の匂い表現を支える神経基盤を解明するための遺伝子改変系統を用いて生得的な匂いの情報処理に関わっているとされている側角からの入力と、匂いを用いた連合学習にかかわっているとされるキノコ体からの入力をそれぞれ阻害して神経活動への影響を解析していく。
さらに、ドーパミン細胞の下流細胞における、匂い活動の役割の解析を行う。今まで匂いは主に条件刺激として使われており、報酬や罰のような無条件刺激としてドーパミン細胞を強く活動させるとは考えられていなかった。一方で、匂いのような条件刺激と同時にドーパミン細胞を刺激すると、下流の細胞で可塑的変化が起こり、連合学習ができることがわかっている。そこで、今回新たに判明した匂いによるドーパミン細胞の活動の意義を探るために、下流の細胞で可塑性が生じるかどうか、その回路メカニズムを含めて解明していく予定である。
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