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Computational process in neural circuit for orientation navigation in insect

Planned

Project AreaSystems Science of Bio-navigation
Project/Area Number 16H06544
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

小川 宏人  北海道大学, 理学研究院, 教授 (70301463)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 安藤 規泰  前橋工科大学, 工学部, 准教授 (70436591)
Project Period (FY) 2016-06-30 – 2021-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥82,940,000 (Direct Cost: ¥63,800,000、Indirect Cost: ¥19,140,000)
Fiscal Year 2020: ¥13,650,000 (Direct Cost: ¥10,500,000、Indirect Cost: ¥3,150,000)
Fiscal Year 2019: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000)
Fiscal Year 2018: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000)
Fiscal Year 2017: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000)
Fiscal Year 2016: ¥25,610,000 (Direct Cost: ¥19,700,000、Indirect Cost: ¥5,910,000)
Keywords神経科学 / 昆虫 / 行動学 / 脳・神経 / ニューロン
Outline of Annual Research Achievements

本年度は、次の4つの課題について研究を行った。
1)細胞内電位記録による音源方位認識ニューロンと音源定位時の頭方位ニューロンの同定:聴覚VR環境下で歩行するコオロギの脳内から細胞内記録を行った。その結果、中心複合体の扇状体領域に投射するニューロン(P-FN)の活動は、動物の歩行速度を符号化しており、動物が特定の方向を向いている時に最大になった。この結果は、扇状体領域におけるP-FNの集団活動が、運動の方向と大きさを統合したベクトル情報を表現することを示唆する。
2)多点電極による脳内聴覚ニューロンの忌避的および誘引的聴覚刺激に対する方位選択性の解析:誘引刺激である5 kHz音と忌避刺激である15 kHz音及び気流パフに対する神経応答を多点電極で記録し、その方向感受性を多次元尺度構成法で解析した。その結果、同一ニューロンでも方向感受性は刺激種によって異なり、誘引性/忌避性に関係しなかった。また音と気流の同時提示に対する応答には、単独刺激に対する応答の線形和と有意に異なるものがあった。従って脳内多感覚ニューロンは異種刺激を同時に受容すると感受性が非線形に変化すると考えられる。
3)視覚/聴覚VRシステムによる音源定位行動における視覚手掛かりの影響の解析:聴覚刺激(誘引歌)の有無により視覚刺激に対する応答が変化するという仮説を立て、コオロギ直上から聴覚刺激中の視覚目標への定位行動を解析した。その結果、聴覚刺激なしと比べ視覚目標周辺に接近することがわかった。この結果は定位行動における視覚刺激の利用が状況依存的であることが示唆する。
4)無限遠平面装置を用いた音源定位行動におけるアプローチフェイズ内運動の解析:公募研究の岩谷班が開発した無限遠平面装置上でコオロギの歩行運動を解析した。その結果、高速度カメラによる高ゲインフィードバックは非拘束のコオロギをほぼ同じ位置に固定できることがわかった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

課題1)では、当初計画とは異なるアプローチだが最終的な研究目標に対しては順調に進捗している。ショウジョウバエで頭方位を集団活動として表現しているP-FN細胞から、歩行運動中の細胞内記録に成功し、単一細胞レベルで歩行速度と頭方位の双方に関連する活動を持つことを明らかにできた。
課題2)では、B01飛龍班との共同研究をきっかけとして、忌避的な行動ナビゲーションに関する脳内機構の研究を新たに展開した。データ解析にはA01竹内班の助言による多次元尺度構成法を新たに適用した。当初予想した刺激種を越えた誘引性刺激と忌避性刺激間の方向選択性に関する一般性はみられなかったが、研究計画にはなかった新しい課題への発展は新学術領域研究の成果として位置づけられる。
課題3)については、誘引歌をVR装置の真上から提示することによって、方位情報をもたらさずにコオロギの内的な状態を変化させて視覚刺激に対する定位行動を観察できた。コオロギの音源定位行動は聴覚に強く依存した行動であり、視覚情報は方向の修正といった補助的な役割と考えられていたが、誘引歌の有無によって視覚刺激に対する応答が変化し、聴覚から目標の方向情報が得られない状況下では視覚がその代替となりうることを示した。この「ナビゲーション行動における様々感覚情報の利用は内的・外的状況に依存する」という新しい発見は、当初の予定を上回る研究成果である。
課題4)では、公募研究A01岩谷班との共同研究で、動物を非拘束で同位置・同方位に固定できる実験系を構築できた。これによりナビゲーション中の触角や付属肢の詳細な動きを計測でき、課題3)に関連した内部状態変化を運動中に捉えられるかもしれない。
以上の様に、ほとんどの研究課題が領域内共同研究として展開しており、当初計画以上の成果が得られつつあるが、最終年度に向けてもう少し研究速度を上げていきたい。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度は、次の4つの課題についての研究を実施する。
1)中心複合体ニューロンにおける視覚・聴覚応答性の解析と自己運動モニタリングシステムの解明:前年度までに運動と頭方位に関連する神経活動を示すことを明らかにした中心複合体P-FNニューロンについて、視覚的な頭方位の手掛かりである偏光刺激に対する応答や音源定位行動との関連を調べる。またその形状と入出力部位を組織化学的に明らかにし、電気生理学的なデータと統合して、ナビゲーション時の自己運動をモニタする脳内システムの全体像に迫る。
2)歩行方向と運動意思決定に関連する下行性信号の解析:ナビゲーション神経機構の最終出力である運動方向や意思決定した運動内容に関する脳からの指令を明らかにするため、脳から運動中枢の存在する胸部神経節へ搬送する下行性神経活動を計測し、逃避行動のナビゲーションを実行する運動制御システムを探索する。
3)VRシステムによる音源定位行動における多感覚手掛かりの影響:昨年度に続き、視覚刺激と音刺激を仮想空間上で呈示できる多感覚VR装置を用いて、音源定位行動における視覚的手掛かりの影響を調べる。
4)無限遠平面装置を用いた高速運動ナビゲーションの解析:公募研究の岩谷班が開発した高速制御型無限遠平面装置を用いて、音源定位中の触角運動や気流刺激に対する逃避行動を解析する。とくに後者の実験では、非拘束条件下で歩行運動中の動物に任意の方向から気流刺激を与え、静止時と運動時で逃避運動内容にどのような変化が生じるかを調べる。
上記の研究に加えて、最終年度となる今年度は5年間の研究成果を国際会議や領域シンポジウムで発表するとともに、学術論文として公表する作業を進める。

Report

(4 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report

Research Products

(50 results)

All 2019 2018 2017 2016 Other

All Journal Article (9 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 5 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (37 results) (of which Int'l Joint Research: 13 results,  Invited: 2 results) Book (2 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Trade-off between motor performance and behavioural flexibility in the action selection of cricket escape behaviour2019

    • Author(s)
      Sato Nodoka、Shidara Hisashi、Ogawa Hiroto
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 9 Pages: 18112-18112

    • DOI

      10.1038/s41598-019-54555-7

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Auditory-Visual Virtual Reality for the Study of Multisensory Integration in Insect Navigation2019

    • Author(s)
      Makino Koki、Ando Noriyasu、Shidara Hisashi、Hommaru Naoto、Kanzaki Ryohei、Ogawa Hiroto
    • Journal Title

      Biomimetic and Biohybrid Systems

      Volume: - Pages: 325-328

    • DOI

      10.1007/978-3-030-24741-6_30

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Markerless visual servo control of a servosphere for behavior observation of a variety of wandering animals2019

    • Author(s)
      Iwatani Y, Ogawa, H, Shidara H, Sakura M, Sato T. Hojo MK, Honma A, Tsurui K
    • Journal Title

      Advanced Robotics

      Volume: 33 Pages: 183-194

    • DOI

      10.1080/01691864.2019.1570334

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      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Efficient Learning Algorithm for Sparse SubSequence Pattern-based Classication and Applications to Comparative Animal Trajectory Data Analysis2019

    • Author(s)
      Takuto Sakuma, Kazuya Nishi, Kaoru Kishimoto, Kazuya Nakagawa, Masayuki Karasuyama, Yuta Umezu, Shinsuke Kajioka, Shuhei J. Yamazaki, Koutarou D. Kimura, Sakiko Matsumoto, Ken Yoda, Matasaburo Fukutomi, Hisashi Shidara, Hiroto Ogawa, Ichiro Takeuchi
    • Journal Title

      Advanced Robotics

      Volume: 33 Pages: 134-152

    • DOI

      10.1080/01691864.2019.1571438

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      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Multisensory enhancement of burst activity in an insect auditory neuron2018

    • Author(s)
      Someya, M, and Ogawa, H.
    • Journal Title

      J Neurophysiol.

      Volume: 印刷中 Pages: 139-148

    • DOI

      10.1152/jn.00798.2017

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      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Crickets alter wind-elicited escape strategies depending on acoustic context2017

    • Author(s)
      Fukutomi Matasaburo、Ogawa Hiroto
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 7 Pages: 15158-15158

    • DOI

      10.1038/s41598-017-15276-x

    • NAID

      120006370611

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      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Post-molting development of wind-elicited escape behavior in the cricket2017

    • Author(s)
      Sato Nodoka、Shidara Hisashi、Ogawa Hiroto
    • Journal Title

      Journal of Insect Physiology

      Volume: 103 Pages: 36-46

    • DOI

      10.1016/j.jinsphys.2017.10.003

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] コオロギの音源定位ナビゲーション-神経行動学が迫る動物のナビゲーションメカニズム2017

    • Author(s)
      設樂久志,小川宏人
    • Journal Title

      生物の科学 遺伝

      Volume: 71 Pages: 519-525

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      2017 Annual Research Report
  • [Journal Article] Neural Basis Underlying Short- and Middle-range Navigation in Insects2016

    • Author(s)
      小川宏人
    • Journal Title

      JRSJ

      Volume: 34 Issue: 10 Pages: 685-689

    • DOI

      10.7210/jrsj.34.685

    • NAID

      130005290476

    • ISSN
      0289-1824, 1884-7145
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      2016 Annual Research Report
    • Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Different cell groups encode stimulus intensity and direction in insect mechanosensory system.2019

    • Author(s)
      Ogawa H, Tanaka K, Someya M, Shidara H
    • Organizer
      49th Annual Meeting of Society for Neuroscience
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Neural activity in the central complex of the crickets during phonotaxis.2019

    • Author(s)
      Kai K, Shidara H, Ando N, Ogawa, H.
    • Organizer
      49th Annual Meeting of Society for Neuroscience
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Role of GABAergic inhibitory inputs on dendritic integration for wind direction-selectivity in the insect’s mechanosensory projection neurons.2019

    • Author(s)
      Shidara H, Ogawa H
    • Organizer
      49th Annual Meeting of Society for Neuroscience
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Auditory-visual virtual reality for the study of multisensory integration in insect navigation.2019

    • Author(s)
      Makino K, Ando N, Shidara H, Hommaru N, Kanzaki R, Ogawa H
    • Organizer
      Living Machines 2019: Conference on Biomimetics and Biohybrid System
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Directional tuning characteristics of multisensory neurons in the cricket brain.2019

    • Author(s)
      Hayashida Y, Shidara H, Kai K, Ogawa H
    • Organizer
      日本比較生理生化学会第41回大会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] コオロギの生得的逃避行動における異なる戦略間のトレード・オフ2019

    • Author(s)
      佐藤和,設樂久志,小川宏人
    • Organizer
      日本動物学会第90回大会
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  • [Presentation] コオロギの音源定位ナビゲーションにおける接近フェーズの解析2019

    • Author(s)
      本丸尚人,設樂久志,小川宏人
    • Organizer
      日本動物学会第90回大会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 昆虫の機械感覚系における異なる刺激情報の符号化をになう細胞集団2019

    • Author(s)
      小川宏人,田中寿希, 染谷真琴, 設樂久志
    • Organizer
      Neuro2019―第42回日本神経科学大会・第62回日本神経化学会大会合同大会―
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] コオロギの音源定位行動における行動戦略2019

    • Author(s)
      本丸尚人,設樂久志,小川宏人
    • Organizer
      日本動物学会第63回北海道支部大会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] コオロギ脳内の多感覚ニューロンの異種刺激に対する方向選択性の解析2019

    • Author(s)
      林田賢樹,設樂久志,甲斐加樹来,小川宏人
    • Organizer
      日本動物学会第63回北海道支部大会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] コオロギ音源定位ナビゲーションにおける行動要素抽出と環境操作2019

    • Author(s)
      小川宏人
    • Organizer
      第66回日本生態学会大会
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      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] コオロギの聴覚刺激による生得的行動の修飾とその神経基盤2019

    • Author(s)
      小川宏人,福富又三郎,染谷真琴
    • Organizer
      日本音響学会2019年春季研究発表会
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    • Invited
  • [Presentation] Phonotactic behaviors in freely-moving female crickets2018

    • Author(s)
      Hisashi Shidara, Naoto Hommaru, Hiroto Ogawa
    • Organizer
      48th Annual Meeting of Society for Neuroscience
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  • [Presentation] Trade-off between speed, directional accuracy and behavioral flexibility in action selection of the escape behavior in the cricket2018

    • Author(s)
      Nodoka Sato, Hisashi Shidara, Hiroto Ogawa
    • Organizer
      48th Annual Meeting of Neuroscience
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Stimulus-intensity impacts on direction encoding and its temporal dynamics in insect mechanosensory projection neurons2018

    • Author(s)
      Hiroto Ogawa, Kazuki Tanaka, Makoto Someya, Hisashi Shidara
    • Organizer
      48th Annual Meeting of Society for Neuroscience
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      2018 Annual Research Report
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  • [Presentation] コオロギ音源定位行動におけるナビゲーション戦略2018

    • Author(s)
      設樂久志, 本丸尚人, 小川宏人
    • Organizer
      Neuroscience 2018ー第41回日本神経科学大会
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  • [Presentation] コオロギ気流応答性投射ニューロンにおける刺激速度依存的な方向選択性修飾の解析2018

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      田中寿希, 染谷真琴, 設樂久志, 小川宏人
    • Organizer
      Neuroscience 2018ー第41回日本神経科学大会
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  • [Presentation] コオロギ感覚系介在ニューロンの多感覚統合における線形性は活動レベルに依存する2018

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      染谷真琴,小川宏人
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  • [Presentation] 機械学習による生体ナビゲーションの軌跡分析:コオロギ逃避行動における時系列データ解析2018

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      福富又三郎, 設樂久志, 尾原和也, 西和弥, 佐久間拓人, 前川卓也, 竹内一郎, 小川宏人
    • Organizer
      Neuroscience 2018ー第41回日本神経科学大会
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    • Author(s)
      牧野航己,安藤規泰,設樂久志,本丸尚人,神崎亮平,小川宏人
    • Organizer
      日本動物学会第70回関東支部大会
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    • Author(s)
      Matasaburo Fukutomi and Hiroto Ogawa
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      47th Annual Meeting of Society for Neuroscience
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      Nodoka Sato and Hiroto Ogawa
    • Organizer
      47th Annual Meeting of Society for Neuroscience
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    • Author(s)
      Hiroto Ogawa, Nodoka Sato, and Matasaburo Fukutomi
    • Organizer
      The 44th Naito Conference on Decision Making in the Brain-Motivation, Prediction, and Learning
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      染谷真琴,小川宏人
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      福富又三郎,小川宏人
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      佐藤和,小川宏人
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      日本動物学会第88回富山大会
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  • [Presentation] Action selection between running and jump in the wind-elicited escape behaviors of the cricket.2017

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      Nodoka Sato and Hiroto Ogawa
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      日本比較生理生化学会第39回大会
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  • [Presentation] Virtual auditory navigation in crickets.2017

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      Noriyasu Ando, Hisashi Shidara, Naoto Honmaru, Ryohei Kanzaki, and Hiroto Ogawa
    • Organizer
      日本比較生理生化学会第39回大会
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  • [Presentation] Diversity of GABAergic inhibitory impacts on dendritic integration for directional tuning in insect mechanosensory projection neurons.2016

    • Author(s)
      Hiroto Ogawa and Ruriko Mitani
    • Organizer
      46th Annual Meeting of Society for Neuroscience
    • Place of Presentation
      San Diego (USA)
    • Year and Date
      2016-11-12
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    • Author(s)
      Matasaburo Fukutomi and Hiroto Ogawa
    • Organizer
      46th Annual Meeting of Society for Neuroscience
    • Place of Presentation
      San Diego (USA)
    • Year and Date
      2016-11-12
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    • Author(s)
      小川宏人,三谷瑠里子
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2016-07-20
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      佐藤和,小川宏人
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2016-07-20
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      染谷真琴,小川宏人
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      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2016-07-20
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      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] コオロギ気流誘導性歩行運動と下行性神経活動は先行する聴覚刺激によって修飾される2016

    • Author(s)
      福富又三郎,小川宏人
    • Organizer
      第39回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2016-07-20
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Book] The cricket as a model Organism; Development, Regeneration, and Behavior2016

    • Author(s)
      Yoshichika Baba and Hiroto Ogawa
    • Total Pages
      373
    • Publisher
      Springer Japan
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Book] The cricket as a model Organism; Development, Regeneration, and Behavior2016

    • Author(s)
      Hiroto Ogawa and John P. Miller
    • Total Pages
      373
    • Publisher
      Springer Japan
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Remarks] 小川研究室 研究内容

    • URL

      https://www.sci.hokudai.ac.jp/~hogawa/research/research2.html

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Remarks] 小川研究室 研究内容

    • URL

      https://www.sci.hokudai.ac.jp/~hogawa/Research.html

    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2016-07-04   Modified: 2021-01-27  

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