Computational process in neural circuit for orientation navigation in insect

• Project Area: Systems 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 Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Hokkaido 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: ¥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

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。

Research Products

• [Journal Article] Trade-off between motor performance and behavioural flexibility in the action selection of cricket escape behaviour (2019)
  • Author(s): Sato Nodoka、Shidara Hisashi、Ogawa Hiroto
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Pages: 18112-18112
  • DOI: 10.1038/s41598-019-54555-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Auditory-Visual Virtual Reality for the Study of Multisensory Integration in Insect Navigation (2019)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Markerless visual servo control of a servosphere for behavior observation of a variety of wandering animals (2019)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Efficient Learning Algorithm for Sparse SubSequence Pattern-based Classication and Applications to Comparative Animal Trajectory Data Analysis (2019)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multisensory enhancement of burst activity in an insect auditory neuron (2018)
  • Author(s): Someya, M, and Ogawa, H.
  • Journal Title: J Neurophysiol. Volume: 印刷中 Pages: 139-148
  • DOI: 10.1152/jn.00798.2017
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crickets alter wind-elicited escape strategies depending on acoustic context (2017)
  • Author(s): Fukutomi Matasaburo、Ogawa Hiroto
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Pages: 15158-15158
  • DOI: 10.1038/s41598-017-15276-x
  • NAID: 120006370611
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Post-molting development of wind-elicited escape behavior in the cricket (2017)
  • 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
  • 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
• [Journal Article] Neural Basis Underlying Short- and Middle-range Navigation in Insects (2016)
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
• [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
• [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
• [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―
• [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
• [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
• [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
  • 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
  • Invited
• [Presentation] Phonotactic behaviors in freely-moving female crickets (2018)
  • Author(s): Hisashi Shidara, Naoto Hommaru, Hiroto Ogawa
  • Organizer: 48th Annual Meeting of Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Trade-off between speed, directional accuracy and behavioral flexibility in action selection of the escape behavior in the cricket (2018)
  • Author(s): Nodoka Sato, Hisashi Shidara, Hiroto Ogawa
  • Organizer: 48th Annual Meeting of Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stimulus-intensity impacts on direction encoding and its temporal dynamics in insect mechanosensory projection neurons (2018)
  • Author(s): Hiroto Ogawa, Kazuki Tanaka, Makoto Someya, Hisashi Shidara
  • Organizer: 48th Annual Meeting of Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [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
• [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)
  • Author(s): 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
• [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)
  • Author(s): 染谷真琴，小川宏人
  • Organizer: Neuroscience 2018ー第41回日本神経科学大会
• [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)
  • Author(s): 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
• [Presentation] Auditory and Visual virtual reality for the study on multisensory integration in insect navigation (2018)
  • Author(s): Noriyasu Ando, Koki Makino, Hisashi Shidara, Naoto Hommaru, Ryohei Kanzaki, Hiroto Ogawa
  • Organizer: Symposium on Systems Science of Bio-Navigation 2018
• [Presentation] 仮想現実環境を用いた昆虫の定位行動における複数感覚の役割の解析 (2018)
  • 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
• [Presentation] Coincident multisensory inputs enhance bursting activity via large and long-lasting EPSPs in insect auditory neuron. (2017)
  • Author(s): Makoto Someya and Hiroto Ogawa
  • Organizer: 47th Annual Meeting of Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crickets modulate wind-elicited escape behavior depending on auditory context with sound carrier frequency. (2017)
  • Author(s): Matasaburo Fukutomi and Hiroto Ogawa
  • Organizer: 47th Annual Meeting of Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Action selection between walking and jump in the wind-elicited escape behavior of the cricket (2017)
  • Author(s): Nodoka Sato and Hiroto Ogawa
  • Organizer: 47th Annual Meeting of Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Action selection for escape behavior in the cricket. (2017)
  • Author(s): Hiroto Ogawa, Nodoka Sato, and Matasaburo Fukutomi
  • Organizer: The 44th Naito Conference on Decision Making in the Brain-Motivation, Prediction, and Learning
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] コオロギ同定投射ニューロンにおける聴覚及び機械感覚入力の多感覚統合 (2017)
  • Author(s): 染谷真琴，小川宏人
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] コオロギ気流誘発性逃避行動における行動選択 (2017)
  • Author(s): 佐藤和，小川宏人
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] コオロギは聴覚状況に応じて気流逃避行動を変化させる (2017)
  • Author(s): 福富又三郎，小川宏人
  • Organizer: 日本動物学会第88回富山大会
• [Presentation] コオロギ気流誘発性逃避行動における刺激パラメータ依存的行動選択 (2017)
  • Author(s): 佐藤和，小川宏人
  • Organizer: 日本動物学会第88回富山大会
• [Presentation] Action selection between running and jump in the wind-elicited escape behaviors of the cricket. (2017)
  • Author(s): Nodoka Sato and Hiroto Ogawa
  • Organizer: 日本比較生理生化学会第39回大会
• [Presentation] Virtual auditory navigation in crickets. (2017)
  • Author(s): 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
• [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
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Acoustic stimulus impacts on directional variability of wind-elicited walking behavior in the cricket. (2016)
  • 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
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 昆虫の機械感覚性投射ニューロンにおける樹状突起カルシウムシグナルから予測される活動電位の空間動態 (2016)
  • 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
• [Presentation] コオロギ気流誘発性逃避行動における成虫脱皮後の経時的変化 (2016)
  • Author(s): 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
• [Presentation] コオロギの初期感覚情報処理における多感覚統合 (2016)
  • Author(s): 染谷真琴，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
• [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
• [Book] The cricket as a model Organism; Development, Regeneration, and Behavior (2016)
  • Author(s): Yoshichika Baba and Hiroto Ogawa
  • Total Pages: 373
  • Publisher: Springer Japan
• [Book] The cricket as a model Organism; Development, Regeneration, and Behavior (2016)
  • Author(s): Hiroto Ogawa and John P. Miller
  • Total Pages: 373
  • Publisher: Springer Japan
• [Remarks] 小川研究室 研究内容
  • URL: https://www.sci.hokudai.ac.jp/~hogawa/research/research2.html
• [Remarks] 小川研究室 研究内容
  • URL: https://www.sci.hokudai.ac.jp/~hogawa/Research.html