Analysis of dynamics of neural network that processes spatial information on chemotaxis of C. elegans

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26830006
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 豊島 有 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (10632341)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: システム生物学 / モデル化とシミュレーション / ライブイメージング / 神経情報処理 / 線虫

Outline of Annual Research Achievements

<1. カルシウムイメージングによる神経細胞の活性測定>について、別々のカメラ等で同時に撮影した多色蛍光の動画像を、カメラの出力のまま変換せずにまとめて扱う中間形式を開発し、4Dイメージングの画像解析におけるデータ容量を1/3程度まで削減することに成功した。また取得した神経活動の時系列データについて、自発的な活動がどこまで予測可能か確かめた。予測には人工ニューラルネットワークの一種であるConvolutional Neural Network法か、Cross Embedding法などで利用されるk近傍法と変数選択法を組み合わせた方法かのいずれかを用いた。2000フレームのデータのうち最後の200フレームを予測用として除き、前半900フレームを学習用、後半900フレームを検証用として、それぞれ10時点先を予測させた。いずれの方法も、塩刺激に応答するような神経の活動は比較的容易に予測できたが、それ以外の自発的な活動については予測が困難であった。またk近傍法については、ICA法などでは見落とされやすい、相対的に小さな変化であっても、時系列予測に役立つ特徴を抽出できることがわかった。
<2.実験データに基づいた数理モデルの作成>について、前年度までに作成した酸素走性のモデルを援用して、塩濃度変化に伴うDAGレベルの変化をもとに、塩走性行動の数理モデルを作成した。この数理モデルは現時点ではピルエット機構による塩走性しか再現できないが、風見鶏行動の数理モデルと適切に結合させることで、両者の機構を同時に表現できる数理モデルの基盤とすることができる。

Research Products

• [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] 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 (2018)
  • 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 (2018)
  • 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] Bio-image informatics for whole-brain activity imaging of C. elegans (2018)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Manami Kanamori, Takayuki Teramoto, Moon-Sun Jang, Hirofumi Sato, Suzu Oe, Yuko Murakami, Ken Sato, Sayuri Kuge, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: CeNeuro2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular and circuit-level analyses reveal the neural mechanisms for the experience-dependent salt chemotaxis in C. elegans. (2018)
  • Author(s): Yuichi Iino, Hirofumi Sato, Yu Toyoshima, Masahiro Tomioka, Hirofumi Kunitomo, Takashi Nagashima, Moon-Sun Jang, Stephen Wu, Manami Kanamori, Llian Mabardi, Shingo Hiroki, Suzu Oe, Yuko Murakami, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida and Takeshi Ishihara
  • Organizer: Asia-Pacific C. elegans meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 感覚統合のメカニズム (2018)
  • Author(s): 村上 悠子, 大江 紗, 勝目 拓海, 寺本 孝行, 豊島 有, 徳永 旭将, 広瀬 修, Wu Stephan, Jang Moon Song, 佐藤 博文, 久下 小百合, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 飯野 雄一, 石原 健
  • Organizer: 第41回日本神経科学大会
• [Presentation] 線虫C. elegansにおける化学物質に対する誘引行動と忌避行動との切り替えの神経回路機構? (2018)
  • Author(s): 飯野 雄一, 佐藤 博文, 豊島 有, 大江 紗, ジャン ムンソン, ウ ステファン, 金森 真奈美, 國友 博文, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 石原 健
  • Organizer: 第41回日本神経科学大会
• [Presentation] 線虫全脳イメージングのための高速三次元蛍光顕微鏡の開発 (2018)
  • Author(s): 佐藤 研, 三上 秀治, 豊島 有, 飯野 雄一, 合田 圭介
  • Organizer: 第41回日本神経科学大会
• [Presentation] Simultaneous measurement of whole-brain activity and behavior toward comprehensive understanding of salt chemotaxis of C. elegans (2018)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Ken Sato, Hideharu Mikami, Stephen Wu, Hirofumi Sato, Moon-Sun Jang, Manami Kanamori, Suzu Oe, Takayuki Teramoto, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Keisuke Goda, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: International Symposium on Systems Science of Bio-Navigation 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simultaneous measurement of whole-brain activity and behavior toward comprehensive understanding of salt chemotaxis of C. elegans (2018)
  • Author(s): Suzu Oe, Yuko Murakami, Yuki Kawahara, Takayuki Teramoto, Yu Toyoshima, Terumasa Tokunaga, Stephan Wu, Osamu Hirose, Jang Moon-Sun, Hirofumi Sato, Hiroki Takizawa, Sayuri Kuge, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Yuichi Iino, Takeshi Ishihara.
  • Organizer: International Symposium on Systems Science of Bio-Navigation 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 線虫の全中枢神経細胞活動データに対する因果性解析II (2018)
  • Author(s): 岩崎唯史，佐藤博文，大江紗，久下小百合，寺本孝行，徳永旭将，広瀬修，Stephen Wu, 豊島有， ジャン;ムンソン，吉田亮，飯野雄一，石原健
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] 線虫の味覚忌避学習に関わる神経の同定及び神経機能の解析 (2018)
  • Author(s): Jang MoonSun, 豊島有、國友博文、飯野雄一
  • Organizer: 日本動物学会第89回札幌大会
• [Presentation] 線虫の頭部全神経のイメージングによる神経回路の動態解析 (2018)
  • Author(s): 飯野 雄一, 豊島 有, Stephen Wu, 佐藤 博文, Jang Moon-Sun, 金森 真奈美, 大江 紗, 村上 悠子, 久下 小百合, 広瀬 修, 徳永 旭将, 寺本 孝行, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 石原 健
  • Organizer: 日本動物学会第89回札幌大会
  • Invited
• [Presentation] Bio-image informatics for whole-brain activity imaging of C. elegans (2018)
  • Author(s): Yu Toyoshima, Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Manami Kanamori, Takayuki Teramoto, Moon-Sun Jang, Hirofumi Sato, Suzu Oe, Yuko Murakami, Ken Sato, Sayuri Kuge, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida, Yuichi Iino
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会
• [Presentation] 線虫の全脳イメージングとその解析 (2018)
  • Author(s): 石原健、豊島有、大江紗、ウー・ステファン、村上悠子、徳永旭将、金森真奈美、岩崎唯史、寺本孝行、ジャン・ムンソン、佐藤博文、吉田亮、飯野雄一
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会
• [Presentation] Robustness of synaptic pathway and signaling pathway estimated from the whole-brain activity data in C. elegans (2018)
  • Author(s): 岩崎唯史，佐藤博文，大江紗，久下小百合，寺本孝行，徳永旭将，広瀬修，Stephen Wu, 豊島有， ジャン;ムンソン，吉田亮，飯野雄一，石原健
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会大会
• [Presentation] 塩走性行動中の線虫の全脳活動計測のための技術開発 (2018)
  • 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: 第3回新学術領域「生物ナビゲーションのシステム科学」若手合宿
• [Presentation] Observation and Analyses of the Dynamics of the Whole Head Nervous System in C. elegans (2018)
  • Author(s): Yuichi Iino, Yu Toyoshima, Stephen Wu, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Hirofumi Sato, Jang Moon-Sun, Manami Kanamori, Suzu Oe, Yuko Murakami, Takayuki Teramoto and Takeshi Ishihara
  • Organizer: 日本神経回路学会 第28回全国大会（JNNS2018）
• [Presentation] 線虫の連合学習の記憶に基づく行動スイッチング:中枢神経回路の活動可視化による解析 (2018)
  • Author(s): 大江紗, 村上悠子, 川原祐樹, 寺本孝行, 豊島有, 徳永旭将, Stephan Wu, 広瀬修, Jang Moon-Sun, 佐藤博文, 滝沢拓己, 久下小百合, 岩崎唯史, 吉田亮, 飯野雄一, 石原健
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Mechanisms of taste avoidance learning in the nematode C. elegans (2018)
  • Author(s): Moon-Sun Jang, Hirofumi Kunitomo, Yu Toyoshima, Masahiro Tomioka, Stephen Wu, Suzu Oe, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • Organizer: The 17th International Symposium on Molecular and Neural Mechanisms of Taste and Olfactory Perception (ISMNTOP2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 飯野研究室 研究内容
  • URL: http://molecular-ethology.bs.s.u-tokyo.ac.jp/labHP/J/JResearch/