神経回路の活動と行動の対応付けに基づく連合学習の神経機構の解明

• 研究領域: メゾスコピック神経回路から探る脳の情報処理基盤
• 研究課題/領域番号: 25115707
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 國友 博文 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (20302812)
• 研究期間 (年度): 2013-06-28 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2014年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2013年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: 神経回路 / 学習 / 記憶 / 線虫 / 光遺伝学 / 学習と記憶

研究実績の概要

学習と記憶の仕組みを分子レベルで明らかにすることを目的として、線虫C.エレガンスの塩走性に見られる連合学習の機構を調べた。線虫は、塩の濃度勾配上に置かれると餌を経験した塩濃度に向かい、飢餓を経験した塩濃度を避ける。この学習では、記憶された塩濃度と現在の塩濃度の差に基づいてASER味覚神経から後シナプス介在神経へのシナプス伝達効率が変化する（塩濃度走性、Kunitomo et al., Nature Communications 4:2210 (2013)）。
ASERの後シナプス介在神経を破壊し、塩走性における役割を調べた。その結果、二つの介在神経が異なる条件で進路決定に寄与していることが示唆された。記憶の分子機構の解明についても進捗があった。遺伝学的解析から、ASER神経細胞内のジアシルグリセロール（DAG）シグナル伝達経路の活性が塩走性の極性を制御していることが知られていた。連携研究者らは、ASERのDAGレベルが塩濃度の変化と逆の相関を示すことを明らかにした。この結果は、塩濃度の変化によりASERのDAGレベルが上下し、シナプス伝達効率の変化を介して行動が制御されていること、またASERにおけるDAGレベルの調節機構が塩濃度の記憶の一部を担っていることを示唆する。
塩濃度走性の記憶は数時間しか持続しない短期記憶であったが、餌と高い塩濃度を繰り返し経験させると、高塩濃度への走性が10時間程度保持されることがわかった。変異体の解析から、この長期記憶の形成にはAIB介在神経におけるAMPA型グルタミン酸受容体GLR-1の働きが重要であることを示唆する結果が得られた。
ナトリウムイオンを細胞外に運び出す微生物型ロドプシンKrokinobacter Rhodopsin 2が線虫の神経活動を光依存的に抑制し、光遺伝学ツールとして使用できることを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump (2015)
  • 著者名/発表者名: H. E. Kato, K. Inoue, R. Abe-Yoshizumi, Y. Kato, H. Ono, M. Konno, S. Hososhima, T. Ishizuka, M. R. Hoque, H. Kunitomo, J. Ito, S. Yoshizawa, K. Yamashita, M. Takemoto, T. Nishizawa, R. Taniguchi, K. Kogure, A. D. Maturana, Y. Iino, H. Yawo, R. Ishitani, H. Kandori*, O. Nureki*
  • 雑誌名: Nature 巻: 未定 号: 7550 ページ: 48-53
  • DOI: 10.1038/nature14322
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Role of synaptic phosphatidylinositol 3-kinase in a behavioral learning response in C. elegans (2014)
  • 著者名/発表者名: Ohno H, Kato S, Naito Y, Kunitomo H, Tomioka M, Iino Y.
  • 雑誌名: Science 巻: 345 号: 6194 ページ: 313-7
  • DOI: 10.1126/science.1250709
  • 査読あり
• [雑誌論文] Regulation of Experience-Dependent Bidirectional Chemotaxis by a Neural Circuit Switch in Caenorhabditis elegans (2014)
  • 著者名/発表者名: Yohsuke Satoh, Hirofumi Sato, Hirofumi Kunitomo, Xianfeng Fei, Koichi Hashimoto, Yuichi Iino
  • 雑誌名: The Journal of Neuroscience 巻: 34 号: 47 ページ: 15631-15637
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1757-14.2014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Concentration memory-dependent synaptic plasticity of a taste circuit regulates salt concentration chemotaxis in Caenorhabditis elegans. (2013)
  • 著者名/発表者名: Kunitomo H, Sato H, Iwata R, Satoh Y, Ohno H, Yamada K, Iino Y.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 4 号: 1
  • DOI: 10.1038/ncomms3210
  • 査読あり
• [学会発表] 線虫C. elegans を用いた塩走性学習の長期記憶形成 (2014)
  • 著者名/発表者名: 植村 舞、飯野 雄一、國友 博文
  • 学会等名: 第37回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2014-11-25
• [学会発表] 線虫C. elegans の塩濃度学習におけるモノアミン神経伝達物質の働き (2014)
  • 著者名/発表者名: 川崎 瑞己、國友 博文、飯野 雄一
  • 学会等名: 第37回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2014-11-25
• [学会発表] 線虫の経験塩濃度依存的な行動を制御する神経回路の解明 (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐藤博文、國友博文、Xianfeng Fei、橋本浩一、飯野雄一
  • 学会等名: 第37回 日本分子生物学会年会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2014-11-25
• [学会発表] Dissecting the roles of primary interneurons that regulate memory-dependent navigation behavior in C. elegans. (2014)
  • 著者名/発表者名: Hirofumi Kunitomo, Yohsuke Satoh, Hirofumi Sato, Yuichi Iino
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Asia Conference, Neurobiology: Diverse Species & Conserved Principles
  • 発表場所: 蘇州（中国）
  • 年月日: 2014-09-17
• [学会発表] Neural basis of plasticity and bidirectionality of klinotaxis (2014)
  • 著者名/発表者名: Yohsuke Satoh, Hirofumi Sato, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • 学会等名: 2014 C. elegans topic meeting: Neuronal Development, Synaptic Function and behavior
  • 発表場所: 奈良県新公会堂（奈良県・奈良市）
  • 年月日: 2014-07-08
• [学会発表] 線虫C. elegansの塩濃度学習におけるモノアミン神経伝達物質の働き
  • 著者名/発表者名: 川崎 瑞己，國友 博文，飯野 雄一
  • 学会等名: 第36回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）