昆虫の定位型ナビゲーションを実行する全神経回路における計算過程解明

2018 年度 実績報告書

• 研究領域: 生物ナビゲーションのシステム科学
• 研究課題/領域番号: 16H06544
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 小川 宏人 北海道大学, 理学研究院, 教授 (70301463)
• 研究分担者: 安藤 規泰 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任講師 (70436591)
• 研究期間 (年度): 2016-06-30 – 2021-03-31
• キーワード: 神経科学 / 昆虫 / 行動学 / 脳・神経 / ニューロン

研究実績の概要

本年度は，次の4つの課題についての研究を行った。
1）コオロギ音源定位ナビゲーションの聴覚情報操作実験：　昨年度報告した音源に近付いていくアプローチフェーズ(AP）中に，誘引歌を消失させたり，音現位置を移動する操作を行った。その結果，誘引歌から白色ノイズに切り替えるとコオロギはただちに直進歩行をやめ，また位置が変化した音源の方へすぐに定位をはじめた。これらの結果は，AP中のコオロギは素早く音源に注意を向けることを意味しており、その内部状態が変化していることが示唆された。
2）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・視覚刺激を目標との距離に応じて変化させ，より実環境に近い仮想環境で行動実験を行った。その結果，視覚情報の提示（物体）が目標に対する体軸のばらつきを有意に減少させたことから，コオロギが視覚情報を手掛かりとして目標の方向決定を行うことが示唆された。
3）音源定位中における頭方位をコードする脳内神経活動の計測：　聴覚的VR環境下で音源定位中のコオロギの脳から細胞内記録を行った。その結果、中心複合体領域において動物の頭方位および転向運動の強度を符号化するニューロンを同定した。これらのニューロンは誘引歌そのものには応答せず、ニューロンが選好性を示す頭方位は音源方向と一致しなかった。これらの結果から、音源定位中のコオロギは、自身の運動に伴って変化する頭方位情報も維持していることが示唆された。
4）コウモリ探索超音波に対する回避行動ナビゲーションに関する研究：　胸部神経節内の聴覚ニューロンから細胞内記録を行い，聴覚応答に対する（忌避刺激である）気流刺激の影響を調べた。誘引歌やコウモリ探索音波に近い高周波の音刺激を提示中に気流パフを与えたところ，局所介在ニューロンON1や上行性投射ニューロンAN2などで，聴覚応答が抑制されることを見いだした。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

課題1)では，ほぼ当初計画通り進捗している。VRシステムを使うことなく，コオロギの運動をリアルタイムで計測し，その位置や方向によって刺激内容や音源位置を変化させることで，コオロギが音源定位のナビゲーション中に，より音情報を積極的に利用しようとする内部状態が存在することを明らかにすることができた。課題2)では，聴覚・視覚刺激をより実環境に近い特性で変化させた条件においても，昨年度と同様に定位行動における方向のばらつきの減少が確認できたため，構築した視覚／聴覚VRシステムと刺激条件が，ナビゲーションにおける複数感覚統合の解析に有用であることが示された。さらに，これまで聴覚情報のみで制御されていると思われていた音源定位行動が，実は視覚情報も用いられているという，当初の予定を上回る研究成果が得られた。課題3)では，当初予定していた多細胞神経活動からのデコーディングによる音源方位認識に関与するニューロン群の同定にはいたらなかったが，その代わりにVRシステム内で音源定位中のコオロギから脳内ニューロンの細胞内記録に成功した。ショウジョウバエですでに報告されている頭方位細胞の存在をコオロギでも明らかにできただけでなく，音源定位中に頭方位情報が継続して維持されていることが示唆されたのは，大きな成果である。課題4)では，回避行動ナビゲーションに関与する多感覚統合の神経回路基盤に関する研究成果が得られた。また，特に課題1）では，当初計画通り本領域内のA02データ科学班と共同でデータ解析を行っている。さらに課題４）に関連して引き続きB01飛龍班と共同研究を実施し，また音源定位行動のより詳細な運動解析のために公募研究A01岩谷班の無限遠平面装置の導入を進めており，当初計画以上に領域内で連携した共同研究が推進できている。したがって計画全体としては，ほぼ予定どおりの進捗を達成していると評価できる。

今後の研究の推進方策

平成31年度は，次の２つの課題についての研究を実施する。
1） 音源定位行動中の転向運動制御に関する実験
A01岩谷班の無限遠平面装置上で音源定位させ，その体軸方位角と音源方位の関係から，転向運動を開始する環境条件を調べる。例えば，左右の鼓膜で捉えた音圧差が一定の閾値を超えたときに音源への転向運動を開始した場合，音圧差が実際に音源へ定位するためのターン運動を引き起こすことが証明できる。さらにそれを踏まえて，脳内の左右音圧差を符号化する神経活動の計測を試みる。
2） 細胞内記録による音源方位と頭方位情報の統合ニューロンの探索
平成30年度に続き，VR装置上で音源定位するコオロギの脳から，特に中心複合体領域を中心に細胞内記録を行う。Head direction cellが符号化する頭方位が，音源位置に伴って変化するかどうかを調べ，ほ乳類やショウジョウバエで確認されている視覚的手掛かりだけでなく，聴覚的手掛かりが頭方位情報に影響するのかを明らかにする。

研究成果

• [雑誌論文] Markerless visual servo control of a servosphere for behavior observation of a variety of wandering animals (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Iwatani, Hiroto Ogawa, Hisashi Shidara, Midori Sakura, Takuya Sato, Masaru K. Hojo, Atsushi Honma, Kaori Tsurui-Sato
  • 雑誌名: Advanced Robotics 巻: 33 ページ: 183-194
  • DOI: 10.1080/01691864.2019.1570334
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Efficient learning algorithm for sparse subsequence pattern-based classification and applications to comparative animal trajectory data analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Advanced Robotics 巻: 33 ページ: 134-152
  • DOI: 10.1080/01691864.2019.1571438
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multisensory enhancement of burst activity in an insect auditory neuron. (2018)
  • 著者名/発表者名: Makoto Someya and Hiroto Ogawa
  • 雑誌名: Journal of Neurophysiology 巻: 120 ページ: 139-148
  • DOI: 10.1152/jn.00798.2017
  • 査読あり
• [学会発表] コオロギの音源定位行動における行動戦略 (2019)
  • 著者名/発表者名: 本丸尚人，設樂久志，小川宏人
  • 学会等名: 日本動物学会第63回北海道支部大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 林田賢樹，設樂久志，甲斐加樹来，小川宏人
  • 学会等名: 日本動物学会第63回北海道支部大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 小川宏人
  • 学会等名: 第66回日本生態学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 小川宏人，福富又三郎，染谷真琴
  • 学会等名: 日本音響学会2019年春季研究発表会
  • 招待講演
• [学会発表] Phonotactic behaviors in freely-moving female crickets (2018)
  • 著者名/発表者名: Hisashi Shidara, Naoto Hommaru, Hiroto Ogawa
  • 学会等名: 48th Annual Meeting of Society for Neuroscience
  • 国際学会
• [学会発表] Trade-off between speed, directional accuracy and behavioral flexibility in action selection of the escape behavior in the cricket (2018)
  • 著者名/発表者名: Nodoka Sato, Hisashi Shidara, Hiroto Ogawa
  • 学会等名: 48th Annual Meeting of Neuroscience
  • 国際学会
• [学会発表] Stimulus-intensity impacts on direction encoding and its temporal dynamics in insect mechanosensory projection neurons (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroto Ogawa, Kazuki Tanaka, Makoto Someya, Hisashi Shidara
  • 学会等名: 48th Annual Meeting of Society for Neuroscience
  • 国際学会
• [学会発表] コオロギ音源定位行動におけるナビゲーション戦略 (2018)
  • 著者名/発表者名: 設樂久志, 本丸尚人, 小川宏人
  • 学会等名: Neuroscience 2018ー第41回日本神経科学大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 田中寿希, 染谷真琴, 設樂久志, 小川宏人
  • 学会等名: Neuroscience 2018ー第41回日本神経科学大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 染谷真琴，小川宏人
  • 学会等名: Neuroscience 2018ー第41回日本神経科学大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Neuroscience 2018ー第41回日本神経科学大会
• [学会発表] Auditory and Visual virtual reality for the study on multisensory integration in insect navigation (2018)
  • 著者名/発表者名: Noriyasu Ando, Koki Makino, Hisashi Shidara, Naoto Hommaru, Ryohei Kanzaki, Hiroto Ogawa
  • 学会等名: Symposium on Systems Science of Bio-Navigation 2018
• [備考] 小川研究室 研究内容
  • URL: https://www.sci.hokudai.ac.jp/~hogawa/Research.html