匂いに基づき快・不快の情動を生み出す神経回路メカニズムの解明

• Project/Area Number: 20J00264
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 46010:Neuroscience-general-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 染谷 真琴 国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 嗅覚情報処理 / カルシウムイメージング / 光遺伝学 / ショウジョウバエ

Outline of Research at the Start

本研究では、匂いに基づいて生得的な快・不快の情動を生み出す脳のメカニズムの解明を目指す。そのために、ヒトを含む哺乳類と類似した機能と構造を備えながらも少数の神経細胞で構成されるショウジョウバエの嗅覚系を対象とする。匂いの生化学的特徴を処理する脳領域である一次嗅覚中枢と匂いに対する快・不快の決定に重要であると示唆されている二次嗅覚中枢の間で行われる情報変換を解明し、この２つの脳領域間の回路図を網羅的に記述することで情動を生成する神経機構を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、哺乳類と類似した構造と機能を備えながらも、少数の細胞で構成されるショウジョウバエの嗅覚系に着目して、物理化学的な匂い情報に基づき快・不快の情動を生み出す情報変換とその神経回路基盤を解明することを目指す。具体的には、物理化学的な匂い情報を表現する一次嗅覚中枢と快・不快の決定に重要とされる二次中枢の側角からほぼ全ての神経細胞の活動を計測し比較することで、側角において匂い情報が情動情報に変換されるという仮説を検証する。最終年度は、これまでに計測した一次中枢の触角葉と二次中枢の側角およびキノコ体の匂い応答を比較することで、生得的な匂いの快・不快の情動情報が側角で生成されることを明らかにした。次に、側角の匂い情報表現を支える神経回路メカニズムを解明するため、ショウジョウバエ脳の電子顕微鏡画像データから、一次中枢と側角を構築する全神経細胞データを取得して神経細胞同士の結合様式を解析した。この結果から、快および不快の情報表現が異なる神経回路メカニズムによって生成されることが示唆された。さらに、ショウジョウバエの脳の神経回路に基づいたネットワークモデルをコンピュータ上に構築し、側角細胞の匂い応答を再現およびモデルを操作することで、快・不快が異なる神経回路メカニズムで生成されるという結果を検証した。以上のように、網羅的な神経活動計測と神経回路解析により、本研究は匂いの生得的な情動情報の脳内表現と快・不快の情動特異的な神経回路メカニズムを明らかにした。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Presentation] Representation of opposing innate values tied to distinct circuit motifs in the secondary olfactory center of Drosophila (2023)
  • Author(s): Someya M, Liu KY, Kazama H
  • Organizer: The 19th International Symposium on Molecular and Neural Mechanisms of Taste and Olfactory Perception
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Representation of opposing innate values tied to distinct circuits in the secondary olfactory center of Drosophila (2023)
  • Author(s): Someya M, Kazama H
  • Organizer: Navigational Algorithms and neural circuit computations directing olfactory search across species
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Representation of innate odor value in the secondary olfactory center of Drosophila (2022)
  • Author(s): Makoto Someya
  • Organizer: The 45th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society