はばたき飛行を制御する神経機構の分析

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H05011
• 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, 特任講師 (40567757)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 飛行ニューロン / はばたき / 飛行回路 / ハルテア神経叢 / GAL4 / ショウジョウバエ / コネクトーム

研究実績の概要

これまでに特定しているはばたき飛行を制御する脳下行性ニューロンについて，分子遺伝学的な手法を用いて形態学的な分析を行い，ニューロンの入出力を特定した．下行性ニューロンへの入力細胞として，視覚系・平衡感覚系のニューロンを特定した．飛翔神経叢およびハルテア神経叢への投射に加え，脳内の深部領域にもシナプス出力部をもつことが分かった．また，脳下行性ニューロンを選択的に標識する遺伝子組み換え系統の作出を継続し，この過程で，はばたき制御に重要な役割をもつことが推察される新たな脳下行性ニューロンを発見した．下行性ニューロンに関わる3件の実験結果，飛行回路を含む神経系についての神経解剖地図をプレプリントサーバbioRxivにアップし，作成した遺伝学的リソースについて，コミュニティに公開した．
GAL4系統データベースを用い，運動系である飛行回路を構成する飛翔神経叢，ハルテア神経叢のニューロンの分析を行い，運動ニューロン・介在ニューロンについて，新たな細胞種を同定した．神経支配領域を分析することにより，飛行回路の内部構造を分析した．神経突起分布のプロファイルをもとにした多変量解析により，背腹軸にかけて層状の機能的構造の存在を示した．またSplit-GAL4交差法を用いて，これらのニューロンタイプを選択的に標識する遺伝子組み換え系統を作出した． 作出した系統について，今後活性化および不活性化実験を行い，どのようにはばたき飛行へ貢献しているかを検証する．

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

飛行制御ニューロンの分析：これまでに同定されたはばたきをコントロールする脳下降性ニューロンDNa02のシナプス領域の解析を行った．分子遺伝学的な手法を用い，経シナプストレーサーによって，DNa02のシナプス前細胞の探索を行い，視覚系・平衡感覚系の細胞を特定した．またシナプトタグミンによる分析を行い，胸部神経節の神経終末はシナプス前末端であること，さらに脳内においても，インフェリア・ブリッジという領域にシナプス前末端が存在することを明らかにした．
また研究の過程で，全体的にDNa02に類似の形状を示すが，飛翔神経叢の異なる領域へ投射をもつ下行性ニューロンDNa03の分析を行った．DNa02と同様，それぞれ類似する小型のニューロンの集団であり，DNa03との機能的な差異が推察される．

飛行回路の解析：GAL4系統データベースにより，飛翔神経叢を構成する運動ニューロン，介在ニューロンの同定を行い，ニューロンタイプ別のリストを作成した．このリストを元に，Split-GAL4交差法を用いて，ニューロンタイプを選択的に標識する遺伝子組み換え系統を作出した．
同定したニューロンの三次元再構築を行い，飛行神経回路の内部構造を分析したところ，2つレイヤーに分かれていることを発見した．背側のレイヤーは，脳とよく接続し，またパワー筋運動ニューロンがより多くの神経支配をもっていた．腹側のレイヤーは，制御筋運動ニューロンがより多くの神経支配をもっていた．またジャイロスコープ様のセンサであるハルテアからの感覚信号を処理するハルテア神経叢についても同様に分析を行い，各ニューロンタイプを同定し，これらを選択的に標識する系統を作出した．飛翔神経叢と同様，背側と腹側の2層に機能的に分化していることが推察される．

今後の研究の推進方策

飛行制御ニューロンの分析：はばたきをコントロールするニューロンDNa02の飛行中の神経活動を計測する．立体的に分布する45番の樹状突起分枝について，最適な計測プレーンを検討する．DNa02は脳内におよそ15対存在するニューロン集団であり，（1）DNa02のニューロンが方向，速度，加速度など，飛行のパラメータをどのように表現しているか，（2）集団のそれぞれのニューロンの応答の個性を調査する．また，DNa03について，これを標識する遺伝子組み換え系統を作出し，シナプス接続解析を行う．

飛行回路の解析：昨年度に同定した飛翔神経叢，ハルテア神経叢のニューロンデータをアフィン変換によって標準座標系に登録し，各ニューロン同士の接続関係を推測する．とくに，2つの神経叢間同士の連絡と，機能未知の領域であるテクチュリムへの投射に注目する．

研究成果

• [国際共同研究] Howard Hughes Medical Institute/Janelia Research Campus(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Howard Hughes Medical Institute/Janelia Research Campus
• [雑誌論文] Feature Integration Drives Probabilistic Behavior in the Drosophila Escape Response (2017)
  • 著者名/発表者名: von Reyn Catherine R.、Nern Aljoscha、Williamson W. Ryan、Breads Patrick、Wu Ming、Namiki Shigehiro、Card Gwyneth M.
  • 雑誌名: Neuron 巻: 94 ページ: 1190～1204.e6
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2017.05.036
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A Systematic Nomenclature for the DrosophilaVentral Nervous System (2017)
  • 著者名/発表者名: Court Robert Christopher、Armstrong James Douglas、Borner Jana、Card Gwyneth、Costa Marta、Dickinson Michael、Duch Carsten、Korff Wyatt、Mann Richard、Merritt David、Murphey Rod、Namiki Shigehiro、Seeds Andrew、Shepherd David、Shirangi Troy、Simpson Julie、Truman James、Tuthill John、Williams Darren
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: N/A ページ: 1～42
  • DOI: 10.1101/122952
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Optogenetic dissection of descending behavioral control in Drosophila (2017)
  • 著者名/発表者名: Cande Jessica、Berman Gordon J、Namiki Shigehiro、Qiu Jirui、Korff Wyatt、Card Gwyneth、Shaevitz Joshua W、Stern David L
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: N/A ページ: 1～50
  • DOI: 10.1101/230128
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The functional organization of descending sensory-motor pathways in Drosophila (2017)
  • 著者名/発表者名: Namiki Shigehiro、Dickinson Michael Hughes、Wong Allan M、Korff Wyatt、Card Gwyneth M
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: N/A ページ: 1～67
  • DOI: 10.1101/231696
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Speed dependent descending control of innate freezing behavior inDrosophila melanogaster (2017)
  • 著者名/発表者名: Zacarias Ricardo、Namiki Shigehiro、Card Gwyneth、Vasconcelos Maria L、Moita Marta A
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: N/A ページ: 1～27
  • DOI: 10.1101/234443
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The morphology of antennal lobe projection neurons is controlled by a POU-domain transcription factor Bmacj6 in the silkmoth Bombyx mori (2017)
  • 著者名/発表者名: Namiki Shigehiro、Fujii Tsuguru、Shimada Toru、Kanzaki Ryohei
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 1～11
  • DOI: 10.1038/s41598-017-14578-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Morphology and physiology of antennal lobe projection neurons in the hawkmoth Agrius convolvuli (2017)
  • 著者名/発表者名: Nirazawa Takuya、Fujii Takeshi、Seki Yoichi、Namiki Shigehiro、Kazawa Tomoki、Kanzaki Ryohei、Ishikawa Yukio
  • 雑誌名: Journal of Insect Physiology 巻: 98 ページ: 214～222
  • DOI: 10.1016/j.jinsphys.2017.01.010
  • 査読あり
• [学会発表] エビガラスズメにおける近縁種の性フェロモンの情報処理機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 韮澤拓也，並木重宏，関洋一，藤井毅，石川幸男，加沢知毅，神崎亮平
  • 学会等名: 第 61回日本応用動物昆虫学会大会
• [学会発表] A cell type specific driver line library targeting wing motor circuits in the ventral nerve cord of Drosophila (2017)
  • 著者名/発表者名: Ehrhardt EE, Namiki S, Otsuna H, Cohen I, Stern D, Dickinson M, Korff W, Card GM
  • 学会等名: Neuroscience 2017, Society for Neuroscience
  • 国際学会
• [学会発表] Control of landing in Drosophila (2017)
  • 著者名/発表者名: Ache JM, Namiki S, Card GM
  • 学会等名: Neuroscience 2017, Society for Neuroscience
  • 国際学会
• [学会発表] Descending interneurons controlling visually-evoked escape in Drosophila (2017)
  • 著者名/発表者名: Peek M, Namiki S, Breads P, Williamson WR, Ache JM, Card GM
  • 学会等名: Neuroscience 2017, Society for Neuroscience
  • 国際学会
• [学会発表] ガ類のフェロモン選好性を決める神経回路 (2017)
  • 著者名/発表者名: 並木重宏，神崎亮平
  • 学会等名: 日本進化学会第19回大会シンポジウム「繁殖行動の進化をもたらす神経基盤」
  • 招待講演
• [学会発表] Comparative Neuroscience Platform: the environment for the comparative neuroscience by facilitating data analysis and collaborations through neuroinformatics (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazawa T, Miyamoto D, Seki Y, Yosida M, Iwatsuki C, Ando N, Namiki S, Ikeno H, Nishino H, Oota S, Murata, Kanazawa A, Ichiishi H, Kanamoto Y, Yamaguchi Y, Kanzaki R
  • 学会等名: Advances in Neuroinformatics 2017
• [学会発表] Developing comparative neuroscience platform (CNS-PF): the environment for facilitating data analysis and collaborations on comparative neuroinformatics (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazawa T, Miyamoto D, Seki Y, Yoshida M, Iwatsuki C, Ando N, Namiki S, Ikeno H, Nishino H, Oota S, Murata Y, Kanazawa A, Ichiishi H, Kanamoto Y, Yamaguchi Y, Kanzaki R
  • 学会等名: The 39th Annual Meeting of the Japanese Society for Comparative Physiology and Biochemistry
• [学会発表] Difference of the neural pathways between the sex pheromone and behavioral antagonist in the hawkmoth, Agrius conbolvuili (2017)
  • 著者名/発表者名: Nirazawa T，Namiki S, Seki Y, Fujii T, Ishikawa Y, Kazawa T, Kanzaki R
  • 学会等名: 日本比較生理科学会第 39 回福 岡大会
• [備考] Fly Descending Interneuron Project
  • URL: https://www.janelia.org/project-team/fly-descending-interneuron