経験依存的な行動調節を制御する分子・神経機構の包括的解明

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K16286
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 佐藤 博文 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (40779435)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 学習 / 線虫 / 神経回路

Outline of Annual Research Achievements

本研究は線虫の塩に対する走性を対象として、経験依存的な行動調節の機構について明らかにすることを目的としている。研究内容としては①感覚入力から行動出力までを結ぶ神経回路の動態の解析 ②感覚神経―介在神経間のシナプス極性を反転させる機構の解明 ③経験依存的な神経応答を制御する細胞内分子機構の解明、の3点に注目して計画が立てられている。今2019年度では主に①と②についての研究を実施した。
まず①について、塩を受容する感覚神経ASERとその下流の介在神経AIB、そしてAIBの下流に位置する介在神経RIM、AVAによって感覚入力が行動出力に変換されることが示唆されていた。今回ASER神経の下流に存在する他の介在神経の除去株を作成し、線虫の行動と神経応答を解析した結果、複数の介在神経がAIB神経の応答と行動の制御に寄与することが示唆された。ASER神経とAIB神経の間にはシナプス接続が存在することが分かっているが、ASER神経は直接的な入力以外にも他の神経を介してAIB神経に情報伝達していることが考えられる。また全神経を同時に撮影する4Dイメージングを用いた解析も進めており、機能的な神経ネットワークの解明を試みている。
②について、ASER神経の応答とAIB神経の応答の関係が経験依存的に反転することが分かっていたが、それがグルタミン酸によるシグナル伝達によって制御されていることが明らかになった。ASER神経から放出されたグルタミン酸が、AIB神経に存在する興奮性と抑制性の2種類の受容体によって受容され、それらの受容体による興奮性と抑制性の入力のバランスが経験依存的に変化することが示唆された。これらの成果は学習がどのようにして起きるかを明らかにする上で重要な知見であると考えられる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究課題は2年間の計画が立てられており、①感覚入力から行動出力までを結ぶ神経回路の動態の解析 ②感覚神経―介在神経間のシナプス極性を反転させる機構の解明 ③経験依存的な神経応答を制御する細胞内分子機構の解明、の3点が主な内容となっている。①と②については概ね予定していた実験は実施されており、データ解析等もほぼ終了し論文を近日投稿予定である。③については2020年度に実施予定である。現状新型コロナウイルスの影響で研究活動が停止しているが、論文投稿作業を行っているため現時点ではまだ大きな支障は出ていない。

Strategy for Future Research Activity

前述の様に本研究課題は2年間の計画であり、①感覚入力から行動出力までを結ぶ神経回路の動態の解析 ②感覚神経―介在神経間のシナプス極性を反転させる機構の解明 ③経験依存的な神経応答を制御する細胞内分子機構の解明、の3点が主な内容となっている。2020年度では主に③の研究内容、及び投稿論文に対して要求された追加実験などを行う予定である。現在新型コロナウイルスの影響で研究活動が停止しているが、徐々に緩和される見通しであるため、基本的には計画通りに進める予定である。もし再度感染拡大等の理由で研究活動が停止した場合、それまでに得られたデータを用いて数理的な解析を主とした研究を行う予定である。

Causes of Carryover

本年度に本研究課題で使用した顕微鏡等の機器は、当初の予定通り多くが課題の開始時点で所属研究室が所有していたものであった。それらの機器の整備・更新等の費用が当初の想定よりも少なかったため、申請時と比較して本年度の使用額が少なくなった。しかしその分次年度ではより多くの費用がかかることが想定されるため、次年度使用額は機器の整備・更新等に用いられる予定である。

Research Products

• [Journal Article] Neuron ID dataset facilitates neuronal annotation for whole-brain activity imaging of C. elegans. (2020)
  • Author(s): Toyoshima Y, Wu S, Kanamori M, Sato H, Jang MS, Oe S, Murakami Y, Teramoto T, Park C, Iwasaki Y, Ishihara T, Yoshida R, Iino Y.
  • Journal Title: BMC Biol. Volume: 18 Pages: -
  • DOI: 10.1186/s12915-020-0745-2.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Neural dynamics for bidirectional regulation of experience-dependent gustatory behavior. (2019)
  • Author(s): H. Sato, H. Kunitomo, X. Fei, K. Hashimoto, Y. Iino.
  • Organizer: 22nd International C. elegans Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫の経験塩濃度依存的な行動を制御する神経回路の動態 (2019)
  • Author(s): 佐藤博文、國友博文、Xianfeng Fei、橋本浩一、飯野雄一
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Cell identification and whole-brain activity imaging of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Suzu Oe, Yuko Murakami, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: CREST"生命動態の理解と制御のための基盤技術の創出"第7回領域会議
• [Presentation] 線⾍の塩⾛性⾏動の包括的理解に向けた全中枢神経活動と⾏動の⾼精度同時計測 (2019)
  • Author(s): 豊島 有, 佐藤 研, 三上 秀治, Stephen Wu, 佐藤 博文, Jang Moon-Sun, 金森 真奈美, 滝沢 拓己, 大江 紗, 寺本 孝行, 徳永 旭将, 広瀬 修, 合田 圭介, 石原 健, 吉田亮, 飯野 雄一
  • Organizer: 新学術領域研究「生物移動情報学」領域会議
• [Presentation] 自由行動中の生物の機能的全脳計測に適した高精度な細胞追跡手法 (2019)
  • Author(s): 豊島 有, Stephen Wu, 佐藤 研, 滝沢 拓己, 徳永 旭将, 広瀬 修, 金森 真奈美, 佐藤 博文, 寺本 孝行, Jang Moon-Sun, 久下 小百合, 石原 健, 吉田 亮, 飯野 雄一
  • Organizer: 新学術領域「レゾナンスバイオ」班会議
• [Presentation] 線虫C. elegansの神経ネットワークのダイナミクス (2019)
  • Author(s): 飯野 雄一、豊島 有、佐藤 博文、ウ ステファン、ジャン ムンソン、金森 真奈美、寺本 孝行、大江 紗、村上 悠子、久下 小百合、広瀬 修、徳永 旭将、岩崎 唯史、吉田 亮、石原 健
  • Organizer: 第90回日本動物学会大会
• [Presentation] Molecular and neural mechanisms of salt concentration memory-dependent chemotaxis of Caenorhabditis elegans (2019)
  • Author(s): Hirofumi Kunitomo, Hirofumi Sato, Hinako Mitsui, Yuichi Iino
  • Organizer: 第48回 内藤コンファレンス
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bio-image informatics for whole-brain activity imaging of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: 22nd International C. elegans Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫全脳の機能的イメージングと動態解析 (2019)
  • Author(s): 豊島 有, Wu Stephen, 金森 真奈美, 佐藤 博文, Jang Moon Sun, 村上 悠子, 大江 紗, 徳永 旭将, 広瀬 修, 久下 小百合, 寺本 孝行, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 石原 健, 飯野 雄一
  • Organizer: 第44回レーザー顕微鏡研究会
• [Presentation] Exploring the origin of brain and central nervous system through monitoring the neural activity of the whole animal (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Hirofumi Sato, Manami Kanamori, Stephen Wu, Moon Sun Jang, Suzu Oe, Yuko Murakami, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会
• [Presentation] Bio-image informatics for whole brain activity imaging and analysis of neural activity of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Bio-image informatics for whole brain imaging and analysis of neural activity of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: Resonance Bio International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A pipeline of bio-image informatics for whole-brain imaging of C. elegans and analysis of the neural activity (2019)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: The 20th International Conference of Systems Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Conservation and variability in the neural sub-networks in the whole nervous system of C. elegans (2019)
  • Author(s): Yuichi Iino, Yu Toyoshima, Hirofumi Sato, Stephen Wu, Yuishi Iwasaki, Manami Kanamori, Moon-Sun Jang, Suzu Oe, Yoko Murakami, Sayuri Kuge, Osamu Hirose, Terumasa Tokunaga, Takayuki Teramoto, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 線虫の連合学習の記憶に基づく行動スイッチング:中枢神経回路活動可視化による解析 (2019)
  • Author(s): 大江 紗, 村上 悠子, 寺本 孝行, 豊島 有, 徳永 旭政, Wu Stephan, 広瀬 修, Moon-Sun Jang, 佐藤 博文, 金森 真奈美, 久下 小百合, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 飯野 雄一, 石原 健
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 全脳カルシウムイメージングによる線虫の神経動態解析 (2019)
  • Author(s): 村上 悠子, 大江 紗, 寺本 孝行, 豊島 有, 徳永 旭政, Stephan Wu, 広瀬 修, Jang Moon-Sun, 佐藤 博文, 金森 真奈美, 久下 小百合, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 飯野 雄一, 石原 健
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 嗅覚応答にかかわる機能的神経回路の可塑性はいかにして行動を制御するのか (2019)
  • Author(s): 一ノ瀬 元成, 村上 悠子, 豊島 有, 大江 紗, Stephen Wu, 金森 真奈実, 寺本 孝行, Moon-Sun Jang, 佐藤 博文, 吉田 亮, 飯野 雄一, 石原 健
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会