Neurophysiological mechanisms underlying population dynamics of sensitization learning in the leech nervous system

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K16191
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 44050:Animal physiological chemistry, physiology and behavioral biology-related
• Research Institution: Hokkaido University (2020-2021); Keio University (2019)
• Principal Investigator: Tomina Yusuke 北海道大学, 電子科学研究所, 特任助教 (70835959)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 膜電位イメージング / 鋭敏化 / 機械感覚 / コネクトーム / 神経生理学 / 環形動物 / ニューロン / モノアミン

Outline of Final Research Achievements

In this study, based on the viewpoint of "how activity by a large number of neurons contributes to learning," we aimed to elucidate the operating principles of the neural network using leech ganglion. By applying our newly developed comprehensive membrane potential imaging method to sensitization learning to mechanical stimuli, we were able to clarify the correlation between monoamine-containing neurons and a large number of cells. In addition, we developed an original method for correcting artifacts caused by small movements during imaging, and applied this method to obtain good image processing results. A related study of the functional connectome of the leech ganglion was published in the renowned international journal eLife.

Free Research Field

神経行動学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ヒル神経節に網羅的な膜電位イメージングという新規に開発したアプローチを実行することで、少数ニューロン系においても、学習成立時に特定の細胞集団が特定のパターンで活動するという知見を得た。これは、多数のニューロン集団の活動ダイナミクスそのものが学習に重要な役割を果たすという視点を支持する。また、行動時の神経活動とシナプス接続の情報を同一の全体神経節から得るという革新的アプローチにより、線虫やショウジョウバエといったモデル動物でも成し得なかった機能的コネクトームデータを取得した。本成果は、シナプスから神経回路、脳から行動という異なる階層レベルを統合的に理解するうえで極めて重要な知見を提供する。