2014 Fiscal Year Research-status Report
感覚刺激強度の記憶と行動選択の分子・神経機構の解明
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26430007
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
國友 博文 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (20302812)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 学習 / 記憶 / 線虫 / 神経回路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
学習は経験によって神経回路上のどこかに生理的な変化が生じ、以前と同じ入力刺激に対して異なる応答が出力されるようになる現象である。この神経回路の変化は記憶痕跡と考えることができる。学習と記憶の仕組みを分子レベルで明らかにすることを目的として、線虫C.エレガンスの塩走性に見られる連合学習の機構をおもに遺伝学的アプローチを用いて調べている。
線虫は、塩の濃度勾配上に置かれると餌を経験した塩濃度に向かい、飢餓を経験した塩濃度を避ける（塩濃度走性）。塩濃度または餌のいずれかの条件を変えると行動が変化することから、線虫の塩濃度走性は塩濃度と餌を関連付けて記憶する連合学習である。この学習では、記憶された塩濃度と現在の塩濃度の差に基づいてASER味覚神経から後シナプス介在神経へのシナプス伝達効率が変化する（Kunitomo et al., Nature Communications 4:2210 (2013)）。
ASERはおもに３種類の介在神経、AIA, AIB, AIYにシナプス接続している。塩濃度走性におけるこれらの役割を調べるため、これらを個別に、または組み合わせて破壊した個体の塩走性を観察した。その結果、AIA神経は高い塩濃度を経験した後の高塩濃度への走性に、AIY神経は低い塩濃度を経験した後の低塩濃度への走性に必要なことが明らかになった。線虫の化学走性では、刺激の濃度変化に応じて方向転換の頻度が調節される、クリノキネシス機構によって個体の進路が決定される。塩濃度勾配上の行動を分析したところ、AIA破壊株は高塩濃度飼育後に塩濃度の低下に応じて方向転換の頻度を上げる制御に、AIY破壊株は低塩濃度飼育後に塩濃度の低下に応じて方向転換の頻度を下げる制御に欠損を示した。これより、AIAとAIYはいずれも塩濃度の低下に応じた行動の制御に関与するが、異なる条件で進路決定に寄与していることが示唆された。
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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
本研究は、線虫の塩濃度走性の実験系を用いて、学習と記憶の分子・神経機構を解明することを目指している。今回、塩走性における介在神経の役割を調べ、塩の情報がどの神経を経由して行動を引き起こしているか明らかにすることができた。これは、今後神経回路上のどこに記憶が保持され、それに基づいてどのように行動が制御されるか調べる上で参考となる重要な結果である。
記憶の分子機構の解明についても進捗があった。遺伝学的解析から、ASER神経細胞内のジアシルグリセロール（DAG）シグナル伝達経路の活性が塩走性の極性を制御していること、すなわち、ASERにおいてDAG経路の活性が高いと線虫は高い塩濃度に向かい、活性が低いと低い塩濃度に向かうことが知られていた。連携研究者らは、ASER細胞内のDAGレベルが測定した。その結果、ASERのDAGレベルは塩濃度の変化と逆の相関を示すこと、すなわち、塩濃度が低下するとDAGレベルは上昇し、塩濃度が上昇するとDAGレベルは低下することが明らかになった。この結果は、塩濃度の変化によりASERのDAGレベルが上下し、シナプス伝達効率の変化を介して行動が制御されていること、またASERにおけるDAGレベルの調節機構が塩濃度の記憶の一部を担っていることを示唆する。これらの研究は研究計画に沿って実施されており、おおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
１）塩濃度走性を制御する神経回路の動作機構の解明：餌を経験した塩濃度に向かう行動には、塩刺激のASERへの入力が必要十分である。ASERはグルタミン酸を神経伝達物質としていることが知られている。小胞性グルタミン酸トランスポーター変異体を用いた解析から、塩走性の一部はASERからのグルタミン酸伝達に依存していることがわかった。ASERの後シナプス介在神経のうちAIBとAIYには、興奮性と抑制性の異なるグルタミン酸受容体が発現することが知られていた。ところがそれらの変異体は塩濃度走性には欠損を示さず、他のグルタミン酸受容体が関わっている可能性が示唆された。上述のように、AIAとAIYは特定の条件で塩の情報を伝達していると考えられ、これらにグルタミン酸伝達が関わっている可能性がある。塩走性に必要なグルタミン酸受容体を同定する。変異体を用いて神経応答を調べ、ASERから後シナプス神経への伝達の調節機構を明らかにする。
２）長期記憶の神経機構の解明：記憶は、それが保持される時間から短期記憶と長期記憶に分けられる。一般に長期記憶の形成には反復学習や新規の転写・翻訳が必要とされているが、長期記憶が形成される分子機構は良くわかっていない。線虫の塩濃度走性の記憶は、1、2時間しか持続しない記憶であった。この記憶が延長するよう条件検討した結果、餌と高い塩濃度を繰り返し経験させると、高塩濃度への走性が10時間程度保持されることがわかった。この長期記憶の形成には転写・翻訳が必要であり、AIB介在神経におけるAMPA型グルタミン酸受容体GLR-1の働きが重要であることを示唆する結果が得られた。AIB神経におけるGLR-1受容体の細胞内局在や神経の応答を観察し、長期記憶の形成におけるGLR-1の役割を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
今年度購入した品目のうち、プラスチック器具および行動分析システム（CCDカメラ、照明用リングLED、画像解析用PC等により構成）が予定より廉価に調達できた。また国内の学会における研究成果発表を行わず、旅費を使用しなかったため次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今後の研究の推進方策に記載したように、神経回路の動作機構の解明と長期記憶の分子機構の解明は順調に進展しており、次年度のプラスチック器具や試薬等消耗品の使用量は予定通りかそれ以上と予想される。円安により輸入試薬は価格が上昇しているものがある。また、塩走性を制御するモノアミンの役割について調べるため、複数の抗オクトパミン抗体、抗チラミン抗体を購入する可能性がある。次年度使用額はこれらの購入に充てる予定である。
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[Journal Article] Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump.2015
Author(s)
Kato HE, Inoue K, Abe-Yoshizumi R, Kato Y, Ono H, Konno M, Hososhima S, Ishizuka T, Hoque MR, Kunitomo H, Ito J, Yoshizawa S, Yamashita K, Takemoto M, Nishizawa T, Taniguchi R, Kogure K, Maturana AD, Iino Y, Yawo H, Ishitani R, Kandori H, Nureki O.
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Journal Title
Nature
Volume: 印刷中
Pages: 印刷中
DOI
Peer Reviewed
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