2022 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of neural mechanisms underlying behavioral variability in C. elegans
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22K15619
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
松山 裕典 名古屋大学, 理学研究科, 特任助教 (50796464)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 神経科学 / 動物行動 / ばらつき / 線虫 C. elegans / オプトジェネティクス / 機械学習 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、線虫をモデルとして、「動物行動のばらつき」と「知覚のゆらぎ」の神経メカニズムを明らかにすることを目的としている。特に、単一の感覚入力が複数の異なる応答行動に変換される現象に着目する。まず、光遺伝学を用いて特定のニューロンの活性を操作し、それによる神経活動変化を計測するため、線虫の温度感覚ニューロンAFDに青色光駆動型カチオンチャネルCoChRとカルシウムインディケータXCaMP-Rを特異的に発現させた系統を作出した。また、光照射が行動に影響することを避けるため、短波長の光に対して応答を示さないlite-1変異体をバックグラウンドとする系統を作出した。この系統に青色光を照射し、AFDの神経活動をカルシウムイメージングで計測する実験を行い、青色光の照射によってAFDの活性をほぼ個体差なく操作できることを確認した。
行動データをハイスループットに収集するため、青色光を任意のタイミングとパターンで照射しながら、同時に多個体の線虫の行動を計測するシステムを開発した。この計測系では、トランジスタによるスイッチング回路をRaspberry Piの制御下に置くことで、高輝度青色LEDの明滅パターンを自由にプログラムすることが可能となった。また、撮影された動画から線虫の形状を自動で検出するため、機械学習を用いて線虫の複雑な形状パターンを分析するプラットフォーム(WORMPOSE)を我々の実験系に適用し、現在はその改良と調整段階にある。
また、線虫に温度刺激を与えながら行動を計測する実験から、主要な温度感覚ニューロンとして知られるAFDとは別のもうひとつの温度感覚ニューロンAWCが、行動のゆらぎや、下流のニューロンの活動パターンに個体差をもたらしていることを示唆する結果が得られ、その研究成果を論文 (Kano et al., Neurosci. Res., 2023) として発表した。
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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
当初は、蛍光顕微鏡下で線虫の行動を1個体ずつ計測することを計画していたが、行動パターンを数理的に解析するために、多個体の行動をハイスループットに計測するシステムの開発を行なった。今年度は、その計測系のプロトタイプの立ち上げとして、カメラの検討、LED のカスタマイズ、照射制御回路の作成、機械学習を用いた線虫の形状分析プラットフォーム(WORMPOSE)の適用と改良を行なった。今後、このシステムを稼働させることで、大規模データから線虫の行動パターンを定量化できると期待される。さらに、温度感覚ニューロン AWC が、線虫の行動および神経活動のパターンにゆらぎを生じさせていることを示唆する結果が得られ、その成果を論文 (Kano et al., Neurosci. Res., 2023) として発表した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、本年度に開発を進めた多個体同時の行動計測システムを完成させ、稼働させる。この計測システムを用いて、温度感覚ニューロン AFD を選択的に活性化させた際の行動パターンのデータを収集し、得られたデータを数理的に解析する。また、その行動表現型が、個別のニューロンのアブレーションによってどのように変容するかを調べ、AFD の活性化によって引き起こされる行動パターンやそのゆらぎの生成に関与するニューロンを明らかにする実験を進める。
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| Causes of Carryover |
オプトジェネティクスを用いた行動計測系の開発に先立ち、デモ機や現有するデバイスを用いた条件検討を主に行なったため、次年度使用額が生じた。
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Research Products
(1 results)
