微小脳における予測誤差学習理論のニューロン基盤の解明

• 研究課題/領域番号: 16H04814
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 動物生理・行動
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 水波 誠 北海道大学, 理学研究院, 教授 (30174030)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円); 2018年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2017年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2016年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円)
• キーワード: 学習 / 昆虫 / 微小脳 / 報酬 / 罰 / 予測誤差 / オクトパミン / ドーパミン / 報酬学習 / 報酬予測誤差 / コオロギ / ゴキブリ / パブロフ型条件付け / 古典的条件付け / パブロフ型条件づけ / ニューロン / 脳 / 神経行動学 / 神経科学

研究成果の概要

本研究では主に以下の4つの成果が得られた。第一に、コオロギの罰学習に予測誤差理論という学習理論が適用可能であることがわかった。第二に、罰に関する予測誤差の情報を運ぶのがドーパミンニューロンであることが示唆された。第3に、報酬に関する予測誤差の情報を運ぶのはオクトパミンニューロンと考えられるが、その候補となるニューロンが形態学的に同定された。最後に、コオロギの学習には、予測誤差理論では説明できない要素があることが明らかになった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、昆虫の学習の主要な特徴が予測誤差理論で説明できることを初めて明らかにし、またそのニューロン機構の一端を明らかにした画期的なもので、学術的に高い意義がある。
また本研究は、学習の基本アルゴリズムが昆虫と哺乳類の間で共通であることを明らかにし、動物の脳の進化の理解の鍵となる知見をもたらしたもので、社会的にも大きなインパクトを与えうるものである。

研究成果

• [雑誌論文] Signaling pathways for long-term memory formation in the cricket (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Y, Matsumoto CS, Mizunami M.
  • 雑誌名: Front. Psychol. 巻: 9 ページ: 1014-1014
  • DOI: 10.3389/fpsyg.2018.01014
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Application of a Prediction Error Theory to Pavlovian Conditioning in an Insect (2018)
  • 著者名/発表者名: Mizunami Makoto、Terao Kanta、Alvarez Beatriz
  • 雑誌名: Frontiers in Psychology 巻: 9 ページ: 1272-1272
  • DOI: 10.3389/fpsyg.2018.01272
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spatial receptive fields for odor localization (2018)
  • 著者名/発表者名: Nishino H., Iwasaki M., Paoli M., Kamimura I., Yoritsune A., Mizunami M.
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 28 号: 4 ページ: 600-608
  • DOI: 10.1016/j.cub.2017.12.055
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Tyrosine hydroxylase-immunoreactive neurons in the mushroom body of the field cricket, Gryllus bimaculatus (2018)
  • 著者名/発表者名: Hamanaka Yoshitaka、Mizunami Makoto
  • 雑誌名: Cell and Tissue Research 巻: 376 号: 1 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1007/s00441-018-2969-9
  • NAID: 120006820172
  • 査読あり
• [雑誌論文] Roles of dopamine neurons in mediating the prediction error in aversive learning in insects (2017)
  • 著者名/発表者名: Terao Kanta、Mizunami Makoto
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 14694-14694
  • DOI: 10.1038/s41598-017-14473-y
  • NAID: 120006370603
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Two parallel olfactory pathwary for processing general odors in a cockroach (2017)
  • 著者名/発表者名: Watanabe H, Nishino H. Mizunami M. Yokohari F.
  • 雑誌名: Frontiers in Neural Circuits 巻: 11 ページ: 32-32
  • DOI: 10.3389/fncir.2017.00032
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Group-housed females promote production of asexual ootheca in American cockroaches (2017)
  • 著者名/発表者名: Katoh K., Iwasaki M., Hosono S., Yoritsue A., Ochiai M., Mizunami M., Nishino H.
  • 雑誌名: Zoological Letters 巻: 3 号: 1 ページ: 3-3
  • DOI: 10.1186/s40851-017-0063-x
  • NAID: 120005981462
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Complete identification of four giant interneuronssupplying mushroom body calyces in the cockroach Periplaneta americana (2017)
  • 著者名/発表者名: Takahashi N., Katoh K., Watanabe H., Nakayama Y., Iwasaki M., Mizunami M., Nishino H.
  • 雑誌名: Journal of Comparative Neurology 巻: 525 号: 1 ページ: 204-230
  • DOI: 10.1002/cne.24108
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Roles of octopamine and dopamine neurons for mediating appetitive and aversive signals in Pavlovian conditioning in crickets (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Mizunami and Y. Matsumoto
  • 雑誌名: Frontier in Physiology 巻: 8 ページ: 1027-1027
  • DOI: 10.3389/fphys.2017.01027
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Searching for cognitive processes underlying insect learning (2017)
  • 著者名/発表者名: Mizunami M, Matsumoto C-S, Matsumoto Y.
  • 雑誌名: 動物心理学研究 巻: 67 号: 1 ページ: 1-10
  • DOI: 10.2502/janip.67.1.5
  • NAID: 130006894416
  • ISSN: 0916-8419, 1880-9022
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interaction of inhibitory and facilitatory effects of conditioning trials on long-term memory formation (2016)
  • 著者名/発表者名: Hosono S, Matsumoto Y, Mizunami M.
  • 雑誌名: Learning & Memory 巻: 23 号: 12 ページ: 669-678
  • DOI: 10.1101/lm.043513.116
  • NAID: 120006366476
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] Roles of a transcription repressor FoxP in the long-term memory formation in crickets. (2018)
  • 著者名/発表者名: Yaolong Li, Takayuki Watanabe & Makoto Mizunami.
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会
• [学会発表] Validity of stimulus enhancement in explaining theory the social learning in crickets. (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Ebina & Makoto Mizunami.
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会
• [学会発表] Low context-dependency of “habitual memory” formed by extended classical conditioning training in crickets. (2018)
  • 著者名/発表者名: Misato Sato and Makoto Mizunami.
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会
• [学会発表] Inhibitory learning in a cricket; extinction and overexpectation. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kanta Terao, Beatritz Alvarez & Makoto Mizunami.
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会
• [学会発表] Associative learning as a research tool for the study of cognition and behaviour in the cricket Gryllus bimaculatus. (2018)
  • 著者名/発表者名: Beatriz Alvarez, Hiroki Ebina, Kanta Terao, Yukihisa Matsumoto, Makoto Mizunami
  • 学会等名: International Congress of the Spanish Society of Ethology and Evolutionary Ecology
  • 国際学会
• [学会発表] Inhibitory learning in the cricket Gryllus bimaculatus. (2018)
  • 著者名/発表者名: Beatriz Alvarez, Kanta Terao, Yukihisa Matsumoto, & Makoto Mizunami.
  • 学会等名: XXX International Conference of the Spanish Society for Comparative Psychology
  • 国際学会
• [学会発表] Associative learning in the cricket Gryllus bimaculatus. (2018)
  • 著者名/発表者名: Beatriz Alvarez, Hiroki Ebina, Kanta Terao, Yukihisa Matsumoto, & Makoto Mizunami.
  • 学会等名: XXX International Conference of the Spanish Society for Comparative Psychology
  • 国際学会
• [学会発表] Roles of a transcription factor FoxP in olfactory learning in crickets. (2018)
  • 著者名/発表者名: Li Yaolong, Takayuki Watanabe, Makoto Mizunami
  • 学会等名: 日本動物学会
• [学会発表] コオロギの社会学習のAppetitive learning とaversive learningについて (2018)
  • 著者名/発表者名: 蝦名宥輝, 水波誠
  • 学会等名: 日本動物学会
• [学会発表] 虫脳性決定機構の進化を探る～doublesex 遺伝子はコオロギ脳の性を決めるのか？ (2018)
  • 著者名/発表者名: 渡邊崇之、水波誠
  • 学会等名: 日本動物学会
• [学会発表] コオロギの古典的条件づけにおける習慣的記憶のコンテキスト依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐藤深怜、水波誠
  • 学会等名: 日本動物学会
• [学会発表] 微小脳と巨大脳：昆虫脳とヒト脳の共通起源と進化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 水波誠
  • 学会等名: 日本臨床脳神経外科学会
  • 招待講演
• [学会発表] Contacts with nest mates maintain the dangerous aggressiveness for social defenses in an ant. (2018)
  • 著者名/発表者名: Eisuke Hasegawa, Hitoshi Aonuma, Kanta Terao, Natsuki Ogusu, Saori Watanabe, Syunta Mikami, Yusuke Fujita, Makoto Mizunami and Yuuka Murakami
  • 学会等名: 13th Japanese Drosophila Research Conference、2018年9月10-12日
• [学会発表] Functional relationships between feedback neurons and output neurons in the mushroom body of the cockroach brain. (2017)
  • 著者名/発表者名: Naomi Takahashi, Makoto Mizunami
  • 学会等名: Gordon Research Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] アリは巣仲間と交流してストレスから回復する (2017)
  • 著者名/発表者名: 2)長谷川英祐、青沼仁志、寺尾勘太、小楠なつき、大久保祐作、渡邊紗織、三上俊太、藤田悠介、水波誠、村上優花
  • 学会等名: 行動2017
• [学会発表] コオロギの罰学習におけるブロッキング現象 (2017)
  • 著者名/発表者名: 寺尾勘太、水波誠
  • 学会等名: 日本動物学会
• [学会発表] ワモンゴキブリ高次嗅覚中枢に入力する巨大GABA作動性ニューロンの生理学的解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高橋直美、水波誠
  • 学会等名: 日本動物学会
• [学会発表] Habit formation by extended Pavlovian training in crickets. (2017)
  • 著者名/発表者名: Makoto Mizunami
  • 学会等名: Naito Conference on decision making in the brain
  • 国際学会
• [学会発表] Prediction error theory in insects. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kanta Terao、Makoto Mizunami
  • 学会等名: Naito Conference on decision making in the brain,
  • 国際学会
• [学会発表] Prediction error theory in insects; comparative analyses produce insights for general learning rules (2017)
  • 著者名/発表者名: 寺尾勘太・水波誠
  • 学会等名: 基礎心理学会、若手オーラルセッション
  • 招待講演
• [学会発表] コオロギ古典的条件付けにおける習慣形成 (2017)
  • 著者名/発表者名: 水波誠
  • 学会等名: ConBio2017
  • 招待講演
• [学会発表] Contrasting social learning with live and dead conspecifics in cricket. (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuki Ebina, Makoto Mizunami
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会
• [学会発表] コオロギの学習研究から何を学ぶか？ (2016)
  • 著者名/発表者名: 水波誠
  • 学会等名: 日本分子生物学会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-12-02
  • 招待講演
• [学会発表] Searching for cognitive processes involved in insect learning (2016)
  • 著者名/発表者名: Makoto Mizunami
  • 学会等名: 日本動物心理学会
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2016-11-24
  • 招待講演
• [学会発表] Critical evidence for the prediction error theory in the insect learning (2016)
  • 著者名/発表者名: Kanta Terao, Makoto Mizunami
  • 学会等名: 日本動物心理学会
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2016-11-23
• [学会発表] Complete identification of four calycal giant interneurons in an insect brain (2016)
  • 著者名/発表者名: Naomi Takahashi, Ko Katoh, Hidehiro Watanabe, Makoto Mizunami, Hiroshi Nishino.
  • 学会等名: International Congress of Zoology
  • 発表場所: 沖縄コンベンションセンター（沖縄県宜野湾市）
  • 年月日: 2016-11-17
  • 国際学会
• [学会発表] Different social learning from live and dead conspecifics in crickets. (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Ebina, Makoto Mizunami,
  • 学会等名: International Congress of Zoology
  • 発表場所: 沖縄コンベンションセンター（沖縄県宜野湾市）
  • 年月日: 2016-11-17
  • 国際学会
• [学会発表] Aggregation pheromone processing in a cockroach brain. (2016)
  • 著者名/発表者名: Ko Katoh, Naomi Takahashi, Hidehiro Watanabe, Makoto Mizunami, Hiroshi Nishino
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会
  • 発表場所: 玉川大学（東京都町田市）
  • 年月日: 2016-09-04
• [学会発表] Immunohistochemistry with α-TDC2 antibodies in the cockroach brain. (2016)
  • 著者名/発表者名: Kanta Terao, Takayuki Watanabe, Hitoshi Aonuma, Hiroshi Nishino, Makoto Mizunami.
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会
  • 発表場所: 玉川大学（東京都町田市）
  • 年月日: 2016-09-04
• [学会発表] Studies on structure and function of insect microbrain (2016)
  • 著者名/発表者名: Makoto Mizunami
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会
  • 発表場所: 玉川大学（東京都町田市）
  • 年月日: 2016-09-03
  • 招待講演
• [図書] 動物学の百科事典 (2018)
  • 著者名/発表者名: 公益社団法人日本動物学会（執筆者に水波誠を含む）
  • 総ページ数: 770
  • 出版者: 丸善出版
  • ISBN: 4621303090
• [図書] 脳の神秘を探ってみよう (2017)
  • 著者名/発表者名: 水波誠
  • 総ページ数: 10
  • 出版者: 朝日新聞出版
  • ISBN: 4023315834
• [図書] The Cricket as a Model Organism: Development, Regeneration, and Behavior (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Y, Matsumoto CS and Mizunami M
  • 総ページ数: 12
  • 出版者: Springer, Tokyo.
  • ISBN: 4431564764
• [図書] Bioinspired Actuators and Sensors (2016)
  • 著者名/発表者名: Taya M, Vonkenburgh EV, Mizunami M, Nomura S.
  • 総ページ数: 523
  • 出版者: Cambridge Univ Press
• [備考] 水波研究室ホームページ
  • URL: https://www.sci.hokudai.ac.jp/~mizunami/MICROB~2/intro.html
• [備考]
  • URL: https://www.sci.hokudai.ac.jp/~mizunami/MICROB~2/index.html