はばたき飛行変速ギアの神経制御

• 研究課題/領域番号: 20K21414
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分44:細胞レベルから個体レベルの生物学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 並木 重宏 東京大学, 先端科学技術研究センター, 准教授 (40567757)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2020年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
• キーワード: はばたき飛行 / ハルテア / 飛翔神経叢 / ギアボックス / 神経細胞

研究開始時の研究の概要

神経系の動作に着目し，ギアを制御するニューロンを探索する．具体的には，昆虫のはばたき飛行において，ギア制御を担う「クラッチニューロン」，および「変速ニューロン」を同定する．このためには神経活動と行動出力の因果関係を明らかにすることが必要不可欠である．申請課題では，神経活動の人為的な操作を行い，その表現型から制御機構を分析するアプローチをとる．ギアシフトを任意のタイミングで誘導することで，ギア動作の体系的な観察を行い，これを制御する神経-筋肉系を分析し，ギア機構をトムアップ的に検証する．

研究成果の概要

飛行の制御に関わる神経回路として、飛翔神経叢、ハルテア神経叢に神経支配をもつ細胞の探索および解剖学的な分析を行った。これまでに特定されていなかった新しい種類の神経細胞を発見した。cWIN-IAは飛翔神経叢、cWIN-IBは飛翔神経叢に加えてハルテア神経叢から入力領域を持ち、双方とも飛翔神経叢の前方に出力していた。cWIN-IIは飛翔神経叢に入力領域を持ち、飛翔神経叢の後方に出力していた。形態学的な分析から、いずれの細胞種も、飛行の操縦に重要な役割をもつ間接飛翔筋(basalar muscle)への運動ニューロンmnb1とシナプス接続していることが示唆された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

昆虫は巧みな飛行能力を持ち、ハチをはじめとする飛行昆虫の研究は、ドローンの研究開発に大きく貢献をしてきました。本研究では、モデル昆虫のショウジョウバエを対象として、飛行を制御する神経回路の構造を分析しました。昆虫の神経系では、速い情報処理を行うために軸索の直径が拡大した神経細胞が使われていることがあります。今回の研究では、拡大した軸索をもつ神経細胞を、新しく3種類特定しました。それぞれ神経節の両側を接続するものであり、両半身の高速な情報伝達を担うことが予想され、飛行の制御において重要な役割を持つと考えられます。

研究成果

• [国際共同研究] Howard Hughes Medical Institute(米国)
• [国際共同研究] California Institute of Technology(米国)
• [国際共同研究] University of Cambridge(英国)
• [雑誌論文] A split-GAL4 driver line resource for<i>Drosophila</i>CNS cell types (2024)
  • 著者名/発表者名: Meissner Geoffrey W、Vannan Allison、Jeter Jennifer、et al.
  • 雑誌名: BioRxiv 巻: 2024 ページ: 1-22
  • DOI: 10.1101/2024.01.09.574419
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Motor neurons generate pose-targeted movements via proprioceptive sculpting (2024)
  • 著者名/発表者名: Gorko Benjamin、Siwanowicz Igor、Close Kari、Christoforou Christina、Hibbard Karen L.、Kabra Mayank、Lee Allen、Park Jin-Yong、Li Si Ying、Chen Alex B.、Namiki Shigehiro、Chen Chenghao、Tuthill John C.、Bock Davi D.、Rouault Herv?、Branson Kristin、Ihrke Gudrun、Huston Stephen J.
  • 雑誌名: Nature 巻: 628 号: 8008 ページ: 596-603
  • DOI: 10.1038/s41586-024-07222-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Publisher Correction: Synaptic gradients transform object location to action (2023)
  • 著者名/発表者名: Dombrovski Mark、Peek Martin Y.、Park Jin-Yong、Vaccari Andrea、Sumathipala Marissa、Morrow Carmen、Breads Patrick、Zhao Arthur、Kurmangaliyev Yerbol Z.、Sanfilippo Piero、Rehan Aadil、Polsky Jason、Alghailani Shada、Tenshaw Emily、Namiki Shigehiro、Zipursky S. Lawrence、Card Gwyneth M.
  • 雑誌名: Nature 巻: 615 号: 7954 ページ: E26-E26
  • DOI: 10.1038/s41586-023-05930-y
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A searchable image resource of Drosophila GAL4 driver expression patterns with single neuron resolution (2023)
  • 著者名/発表者名: Meissner Geoffrey W、Nern Aljoscha、Dorman Zachary、et al.
  • 雑誌名: eLife 巻: 12 ページ: 1-20
  • DOI: 10.7554/elife.80660
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Single-cell type analysis of wing premotor circuits in the ventral nerve cord of<i>Drosophila melanogaster</i> (2023)
  • 著者名/発表者名: Ehrhardt Erica、Whitehead Samuel C、Namiki Shigehiro、Minegishi Ryo、Siwanowicz Igor、Feng Kai、Otsuna Hideo、Meissner Geoffrey W、Stern David、Truman Jim、Shepherd David、Dickinson Michael H.、Ito Kei、Dickson Barry J、Cohen Itai、Card Gwyneth M、Korff Wyatt、FlyLight Project Team
  • 雑誌名: BioRxiv 巻: 2023 ページ: 1-126
  • DOI: 10.1101/2023.05.31.542897
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Transforming descending input into behavior: The organization of premotor circuits in the<i>Drosophila</i>Male Adult Nerve Cord connectome (2023)
  • 著者名/発表者名: Cheong H. S. J.、Eichler K.、St?rner T.、Asinof S. K.、Champion A. S.、Marin E. C.、Oram T. B.、Sumathipala M.、Venkatasubramanian L.、Namiki S.、Siwanowicz I.、Costa M.、Berg S.、Jefferis G. S. X. E.、Card G. M.、Janelia FlyEM Project Team
  • 雑誌名: BioRxiv 巻: 2023 ページ: 1-109
  • DOI: 10.1101/2023.06.07.543976
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Synaptic gradients transform object location to action (2023)
  • 著者名/発表者名: Dombrovski Mark、Peek Martin Y.、Park Jin-Yong、Vaccari Andrea、Sumathipala Marissa、Morrow Carmen、Breads Patrick、Zhao Arthur、Kurmangaliyev Yerbol Z.、Sanfilippo Piero、Rehan Aadil、Polsky Jason、Alghailani Shada、Tenshaw Emily、Namiki Shigehiro、Zipursky S. Lawrence、Card Gwyneth M.
  • 雑誌名: Nature 巻: 613 号: 7944 ページ: 534-542
  • DOI: 10.1038/s41586-022-05562-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A population of descending neurons that regulates the flight motor of Drosophila (2022)
  • 著者名/発表者名: Namiki Shigehiro、Ros Ivo G.、Morrow Carmen、Rowell William J.、Card Gwyneth M.、Korff Wyatt、Dickinson Michael H.
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 32 号: 5 ページ: 1189-1196.e6
  • DOI: 10.1016/j.cub.2022.01.008
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Systematic Nomenclature for the Drosophila Ventral Nerve Cord. (2020)
  • 著者名/発表者名: Court R, Namiki S, Armstrong D, Borner J, Card G, Costa M, Dickinson MH, Duch C, Korff W, Mann R, Merritt D, Murphey R, Seeds A, Shirangi T, Simpson J, Truman J, Tuthill J, Williams D, Shepherd D
  • 雑誌名: Neuron 巻: 107 号: 6 ページ: 1071-1079
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2020.08.005
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Neural circuit basis of aversive odour processing in Drosophila from sensory input to descending output (2020)
  • 著者名/発表者名: Huoviala P, Dolan MJ, Love FM, Myers P, Frechter S, Namiki S, Pettersson L, Roberts RJV, Turnbull R, Mitrevica Z, Breads P, Schlegel P, Bates AS, Rodrigues T, Aso Y, Bock D, Rubin GM, Stensmyr M, Card G, Costa M, Jefferis GSXE
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: 394403 ページ: 1-16
  • DOI: 10.1101/394403
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An image resource of subdivided Drosophila GAL4-driver expression patterns for neuron-level searches (2020)
  • 著者名/発表者名: Meissner GW, Dorman Z, Nern A, Forster K, Gibney T, Jeter J, Lohnson L, He Y, Lee K, Melton B, Yarbrough B, Clements J, Goina C, Otsuna H, Rokicki K, Svirskas RR, Aso Y, Card GM, Dickson BJ, Ehrhardt E, Goldammer J, Ito M, Korff W, Minegishi R, Namiki S, Rubin GM, Sterne G, Wolff T, Malksman O
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: 080473 ページ: 1-16
  • DOI: 10.1101/2020.05.29.080473
  • オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] ハエの飛行を司令する神経細胞の探索 (2020)
  • 著者名/発表者名: 並木重宏
  • 学会等名: 第42回エアロ・アクアバイオメカニズム定例講演会
  • 招待講演