昆虫機械感覚細胞の刺激受容初期過程の力学的研究

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12440236
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 下澤 楯夫 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (10091464)
• 研究分担者: 青沼 仁志 北海道大学, 電子科学研究所, 助手 (20333643) ; 西野 浩史 北海道大学, 電子科学研究所, 助手 (80332477) ; 水波 誠 東北大学, 大学院・生命科学科, 助教授 (30174030)
• キーワード: 機械受容器 / 機械感覚細胞 / 運熱揺動 / エネルギー増幅機構 / 感覚情報 / 昆虫 / コオロギ

研究概要

機械受容は動物と外界との相互作用の「基本要素」であり、これ抜きに動物の進化・適応は語れない。昆虫の機械受容器は、従来考えられてきたような「原始的」感覚器ではなく、常温の熱遥動エネルギーκ_BT(【approximately equal】4x10^<-21>Joul可視光フォトンのエネルギーの1/100)をも検出できる最高度に進化した刺激受容系である。にもかかわらず、機械エネルギーが感覚細胞の受容器電位に変換される仕組み、特にその初期過程は全く解明されていない。この未知の細胞機構を解明するため受容部位の力学計測、特に熱遥動領域の計測に真正面から取り組んだ。
神経細胞は熱遥動感受性をもっており、そのことが神経系に共通する基本構造である並列伝送回路の起源であることを実証するため、ブラウン運動に近いレベルの微弱な機械刺激を気流感覚毛に与えて感覚細胞の膜電流応答を計測し、分子熱雑音限界までエネルギー感度を進化させた機械感覚細胞の刺激受容機構解明の手がかりを得ることを目指した。
チップ電極をピエゾに取り付け、気流感覚毛に被せてナノメートル領域で動かし、刺激に対する気流感覚細胞の膜電流応答を計測し、感覚細胞のエネルギー増幅の神経機構を解析した。長さ1000μmの気流感覚毛の先端がブラウン運動によって動く大きさは、約14nmであることは解析済みである。長さ約1000μmの気流感覚毛の先端を切除し根元から100μmの部分を10nm動かすのは、長さ1000μmの気流感覚毛の先端を100nm動かすことに相当する。本研究では、先端を切除した気流感覚毛を10-100nmの範囲で動かしたときの気流感覚細胞の膜電流応答を計測し、これまで計測されたことのなかった気流感覚毛をナノメートル領域で動かすという極めて微弱な刺激に対する気流感覚細胞の膜電流応答を計測することに成功し、機械エネルギーが感覚細胞の受容器電位に変換される仕組み解明の手がかりが得られた。

研究成果

• [文献書誌] 村上準, 木立智英, 長谷山美紀, 下澤楯夫: "神経細胞が運ぶ情報量の実測における標本サイズの影響"電子情報通信学会論文誌. J85-D-II No.7. 1233-1243 (2002)
• [文献書誌] Aonuma, H., Newland, P.L.: "Synaptic inputs onto spiking local interneurons in crayfish are depressed by nitric oxide"J. Neurobiol.. 52. 144-155 (2002)
• [文献書誌] Aonuma, H.: "Distribution of NO-induced cGMP-like immunoreactive neurones in the abdominal nervous system of the crayfish, Procambarus clarkii"Zool. Sci.. 19. 969-979 (2002)
• [文献書誌] Sakura M, Okada R, Mizunami, M: "Olfactory discrimination of structurally similar alcohols by cockroaches"J. Comp. Physiol. (A). 188. 787-797 (2002)
• [文献書誌] Matsumoto Y, Mizunami M: "Temporal determinants of long-term retention of olfactory memory in the cricket Gryllus bimaculatus"J. Exp. Biol.. 205. 1429-1437 (2002)
• [文献書誌] Nishino H, Yamashita S, Yamazaki Y, Nishikawa M, Yokohari F, Mizunami M: "Projection neurons originating from thermo-and hygrosensory glomeruli in the antennal lobe of the cockroach"J. Comp. Neurol.. 455. 40-55 (2003)