2019 Fiscal Year Research-status Report
気流感覚刺激から複数情報の読み出しを可能にする昆虫神経システムの予測と実装解明
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19K16283
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
設樂 久志 北海道大学, 理学研究院, 特別研究員(PD) (00812736)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 昆虫 / 気流刺激 / 方向選択性 / コーディング / 電気生理学的手法 / 行動実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
方向性を持った刺激は、刺激方向や速度の情報が混在して神経応答として表現される。これまで、細胞個々の応答性の特徴から刺激方向や速度の情報を読み出す神経システムの推測はされてきたが、神経系の複雑さから多くの研究で推測されるシステムを動物が実装しているかまではほとんど明らかにされてこなかった。コオロギは尾葉に位置する気流感覚系を用いることにより、気流刺激の方向や強度を感受することによって逃避行動を示す。また、気流感覚系の一部である最終腹部神経節には、比較的少数の上行性介在ニューロンが気流刺激の情報を感受し脳へ情報を伝えることが知られている。そこで、比較的シンプルな系で気流情報を読み出し行動へ移すコオロギ逃避系を利用し、気流刺激の方向と速度の情報を読み出す神経システムの推測を行うとともに、こうした神経系が動物に実装されているのかを明らかにする。
本年度は、まず最終腹部神経節にある気流感受に関わる巨大介在ニューロンが気流刺激の方向と速度の情報をどの様に表現しているのか電気生理学的手法を用いて調べた。6種類の巨大介在ニューロンに注目し、8方向・5強度の気流刺激を与え、各方向に対する神経応答の大きさ（チューニングカーブ）を明らかにした。いくつかある巨大介在ニューロンのうちGI 10-2やGI 10-3は気流刺激の速度に関わらず一定の方向選択性を持つ一方で、MGIの方向選択性は他の巨大介在ニューロンに比べて低いものの気流刺激の速度に依存して応答が大きく変化するということがわかった。また、次年度以降に行う神経操作を伴った行動実験を行うために、神経破壊の方法について検討も行った。
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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
本年度の目標は、まずコオロギが気流刺激の方向と速度の情報を読み出すシステムを推測するために、それぞれの情報が最終腹部神経節にある巨大介在ニューロンでどの様に表現されているのか明らかにすることであった。注目する気流感受性の巨大介在ニューロンは6種類あり、今年度ではこの全6種類の巨大介在ニューロンの各気流刺激方向に対する神経応答の大きさを調べることに成功した。また、これらの巨大介在ニューロンは種類によって、特徴的な応答性を持っており、それぞれ方向・速度を読み出すのに特化している様な結果を得ることができた。以上から、コオロギ気流逃避系における神経システムの推測に向け、順調に研究が進んでいる。
また、本年度では次年度以降に行う行動実験の準備にも取りかかった。神経システムの推測を行った後に、システムが実装されているかは各巨大介在ニューロンを神経操作することで行おうと考えている。神経操作のためには光作動性タンパク質を巨大介在ニューロンに発現させる必要があり、遺伝子導入をエレクトロポレーション法で行った。しかしながら、目的のタンパク質を巨大介在ニューロンで発現させることは現時点で成功していない。一方で、光毒性色素を電気生理学的手法で神経細胞に導入し神経破壊する方法に着手した。こちらの手法については現在検討を行っているものの神経破壊に成功する例が確認されている。
以上の状況を鑑みて、概ね順調に進展していると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度では神経システムを推測する基盤となる各巨大介在ニューロンのチューニングカーブを作成することができた。これを元に、コオロギが気流刺激の方向と速度を読み出すためにどの様なシステムを用いているのか調べる予定である。各巨大介在ニューロンの組合せを変えながら、どの様なニューロンの組合せでは方向を読み出すことができるのか。また、速度を読み出すためにはどの様なニューロンの組合せが必要であるのかを調べることによって神経システムの推測を行おうと考えている。
また、当初の予定に加えて各巨大介在ニューロンの解剖学的な情報を得ることも計画に入れている。解剖学的な情報は、電気生理学的手法もしくはエレクトロポレーション法による単一神経細胞への蛍光色素導入によって行う。得られたチューニングカーブに加え、各神経が最終腹部神経節の上流にどの様な投射を行っているのか調べることにより、チューニングカーブで観察されるようなニューロンの役割の違いが解剖学的にも反映されているのか調べる。この結果から、推測されるシステムが解剖学的に見ても妥当なのかどうかについて検討する。
加えて、神経操作の方法についてさらに検討を行っていく。光作動性タンパク質による神経操作を当初は予定していたが、巨大介在ニューロンでの発現が現状難しいため、光毒性色素による神経破壊でシステムの実装について調べていこうと計画している。現在行っている神経破壊方法についてはさらに検討を行い、光毒性色素による神経は解放法の確立を目指す。まずは、電気生理学的手法とカルシウムイメージング法の組合せにより、光毒性色素によって安定的に目的のニューロンを破壊することができるのか確認していく。
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| Causes of Carryover |
本年度で行動実験を行うために購入予定だった光刺激照射系の購入を見送ったため次年度使用額が生じた。元々、光作動性タンパク質を用いて神経操作を行う予定であったが、巨大介在ニューロンへの遺伝子導入が成功せず、神経操作の方法が当初予定していたものから変更されたため見送ることになった。現在、光毒性色素を用いた神経破壊を検討しており、選択的な神経破壊を行う上で当初の計画通り光刺激照射系を購入するか、より効率的に神経破壊を行うための光学系に関わる備品を購入するかで検討を行っている。
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Research Products
(2 results)
